En protokoll presenteres for syntesen av informasjonskodede peptoid oligomerer og for sekvensrettet selvmontering av disse peptoidene i molekylære stiger ved hjelp av aminer og aldehyder som dynamiske kovalente refluenserpar og Lewis sure sjeldne jord metall treblåser som multi-rolle reagenser.
Denne protokollen presenterer bruk av Lewis sure multi-rolle reagenser for å omgå kinetisk fangst observert under selvmontering av informasjonskodede oligomeric tråder mediert av sammenkoblede dynamiske kovalente interaksjoner på en måte som etterligner den termiske sykling en vanlig ansatt for selvmontering av komplementære nukleinsyre sekvenser. Primære aminmonomerer som bærer aldehyd og amin anheng moieties er funksjonalisert med ortologe beskyttende grupper for bruk som dynamiske kovalente reaktantpar. Ved hjelp av en modifisert automatisert peptidsynthesizer, de primære amin monomers er kodet i oligo (peptoid) tråder gjennom solid fase submonomer syntese. Ved rensing av høyytelses flytende kromatografi (HPLC) og karakterisering av elektrosprayioniseringmassespektrometri (ESI-MS), blir sekvensspesifikke oligomerer utsatt for høy lasting av en Lewis sur sjelden metall triflate som begge deprotects aldehyd moieties og påvirker reaksilatorparet likevekt slik at tråder helt dissociate. Deretter utvinnes en brøkdel av Lewis-syren, noe som muliggjør annealing av komplementære sekvensspesifikke tråder for å danne informasjonskodede molekylære stiger preget av matriseassistert laserdesorpsjon / ionisering massespektrometri (MALDI-MS). Den enkle prosedyren som er skissert i denne rapporten omgår kinetiske feller som vanligvis oppleves innen dynamisk kovalent montering og fungerer som en plattform for fremtidig utforming av robuste, komplekse arkitekturer.
Fremgang i selvmontering, prosessen der små underenheter genererer større arkitekturer gjennom termodynamisk drevne veier, har gitt bedre kontroll over makro- og supramolekylære nanostrukturer vanligvis ved å utnytte intermolekylære interaksjoner som π-stabling og hydrogenbinding1,2,3,4. Spesielt har nukleinsyrer (dvs. polynukleotider) dukket opp som bemerkelsesverdig allsidige nano-konstruksjonsmedier som den høye informasjonstettheten gitt av Watson-Crick base paring tillater montering av komplekse, sekvensselektive strukturer4,5. Mens den iboende lave styrken til disse forbigående intermolekylære bindingene muliggjør omorganisering og feilkorrigering av underenheter, er de resulterende strukturene ofte utsatt for termisk og mekanisk nedbrytning6. I motsetning, dynamiske kovavalente interaksjoner7,8,9, en klasse av kovalente bindingsdannende reaksjoner som er reversible eller omorganiseres under milde forhold og har nylig blitt ansatt for å gi intrikate makromolekyler som stiger10,11,12,13, bur14,15,16og stabler17, tilbyr økte bindingsstyrker og robuste strukturer. Dessverre reduseres kapasiteten for omorganisering og feilkontroll av de relativt lave omorganiseringsratene til disse kovalente artene, noe som begrenser deres evne til selvmontering til ønskede produkter18. For å løse denne kinetiske fangsten, brukes katalysatorer eller tøffe reaksjonsforhold ofte sammen med enkle byggeklosser. Her rapporterer vi en prosess som omgår kinetisk fangst for å muliggjøre selvmontering av molekylære stiger fra sekvensspesifikke oligomerer hvor hybridiseringen er rettet av informasjonen som er kodet i oligomerrestersekvensene.
Gitt deres syntetiske tilgjengelighet, poly(N-erstattet glycine)s (dvs. peptoids) er ansatt som oligomeric forløpere som molekylære stiger er montert19. Peptoider er strukturelle isomers av peptider der anheng grupper er festet til ryggraden-båret nitrogen i stedet for å bli kombinert med α-karbon20. Ved hjelp av solid fase syntese, nøyaktig plassering av dynamiskkovalent anheng grupper langs peptoid kjeden er lett oppnådd, slik at for utformingen av forløper oligomers som kan montere i komplekse supramolecular strukturer21.
Den dynamiske kovalent omorganisering av iminetilkobling er ansatt i denne prosedyren, da den iminegenererende kondensasjonsreaksjonen gir et praktisk middel til å karakterisere selvmonteringen ved massespektrometri som hvert bånd dannet resulterer i en massereduksjon på 18 g / mol22. Videre kan likevekten mellom amin og aldehydreretanter og iminproduktet varieres ved å endre syrekonsentrasjonen. Spesielt brukes sjeldne metalltreflater til å påvirke likevekt, og i tillegg deprotect etylen acetal-beskyttet aldehyder23,24,25. For å merke seg, scandium triflate er allerede vanlig brukt innen dynamisk kovalent selvmontering, inkludert sin nylige suksess i å hjelpe syntesen av kovalente organiske rammer (COFs) ved romtemperatur26,27. I tillegg gir den kontrasterende løseligheten av oligo(peptoid) sekvenser og sjeldne metalltriflate likevekt gjennom væskevæskeekstraksjon. Prosessen rapportert benytter denne kontrollen til å omgå de kinetiske barrierer som hindrer informasjonsrettet selvmontering.
Teknikken beskriver den dynamiske kovalente monteringen av informasjonsbærende peptoid oligomerer, hvor informasjon er kodet i sekvensen av deres anhenggrupper. Bruk av en Alloc-beskyttet aminmonomer i forbindelse med en etylenacetalbeskyttet aldehydmonomer tillater orthogonal deprotection, slik at Alloc deprotection på perle og acetal deprotection in situ under selvmonteringsreaksjonen, og dermed sikre at de syntetiserte sekvensene ikke for tidlig reagerer før oligomer rensing og karakterisering. Viktigere, solid fase syntese utføres ved hjelp av en photolabile harpiks for å aktivere oligomer cleavage fra perlen under UV eller fiolett lys bestråling, utelukker for tidlig deproteksjon av syre-labile, etylen acetal-basert beskyttende gruppe. Flere alternative debeskyttelsesordninger kan vurderes. For eksempel brukte vi i utgangspunktet to syre-labile beskyttegrupper (Boc-amin og etylen acetal-aldehyd) med den hensikt å in situ deprotection av en sterk syre etterfulgt med nøytralisering for å tillate selvmonteringsreaksjonen å fortsette; Denne tilnærmingen resulterte imidlertid i den umiddelbare generasjonen av utfelling ved tilsetning av basen. Alternativt ble beskyttelse av aminen med en fotolabilbeskyttelsesgruppe, 2-(2-nitrofenyl)propokkosyl (NPPOC), forestilt seg da aldehyd selektivt kunne deprotected ved behandling med trifluoreddiksyre (TFA) før rensing. Dessverre, in situ fotolyse av beskyttelsesgruppen med UV-lys ikke råd kvantitativ deprotection, selv i nærvær av fotoensitizers og etter lengre bestråling perioder25. Trimethylsilylethoxycarbonyl (dvs. Teoc) kan brukes som aminbeskyttende gruppe og er gjenstand for spalting ved behandling med sjeldne metalltreflater; Kvantitativ Teoc-deproteksjon krever imidlertid mye høyere sjeldne metalltreflatbelastninger enn det som er nødvendig for etylenacetal deprotection. For denne protokollen kan Teoc-aminer brukes, men Lewis syrekonsentrasjonen må justeres tilsvarende som subkvantitativ amin deprotection kan være problematisk for større selvmonterte strukturer. Aliphatic funksjonelle grupper ble kort vurdert, men deproteksjon av aliphatic aldehyder krever tøffe forhold som avkorter peptoid sekvenser32,33.
Inkorporering av Neee og Nma som inert spacer rester tjener til å forbedre oligomer løselighet og aktivere facile masse-merking av forløperen oligomers å ha råd til klar identifisering av de genererte artene ved massespektroskopi. Videre, gitt ‘Σ-strand’ konformasjon av peptoider der tilstøtende ryggradssegmenter vedtar motstridende rotasjonstilstander for å danne en lineær, twist-free oligomer34,35, sekvenser som omfatter vekslende dynamiske kovalente og inerte avstandsrester letter en struktur der reaktive anhenggrupper er orientert i samme retning. Gitt allsidigheten til submonomermetoden, kan et stort og mangfoldig bibliotek av primære aminer brukes til å ytterligere endre peptoid oligomers, men kan kreve justeringer i protokollen for å opprettholde høy koblingeffektivitet.
Mens oligo (peptoids) kan syntetiseres manuelt i et glassreaksjonsfartøy19,reduserer automatisering av prosessen tiden for hvert rester tillegg fra flere timer til en halv time. I tillegg reduserer automatisering mengden monomer og vask løsemiddelavfall, spesielt ønskelig ved bruk av primære aminmonomerer som ikke er kommersielt tilgjengelige. Selv om Alloc cleavage fra beskyttet-amin rester er en effektiv reaksjon, palladium oksidasjon kan resultere i ufullstendig deprotection. Følgelig er det foreslått å teste cleave en del av harpiks og karakterisere omfanget av devern med ESI-MS. For testspaltninger, 30 min under 405 nm bestråling utgivelser tilstrekkelig peptoid for masse spektrometri. Delvis deproteksjon kan begrenses ved bruk av anaerobe tilstander eller gjenta deproteksjonsreaksjonen.
Mens denne artikkelen fokuserer på Sc(OTf)3 som en multi-rolle reagens, andre sjeldne metall triflates, som ytterbium triflate, har vist seg å kunne megle informasjonsstyrt montering av molekylære stiger. Spesielt er Sc(OTf)3 den mest Lewis sure av sjeldne jordmetalltriflater; Dermed, på grunn av den reduserte katalytiske evnen som tilbys av andre sjeldne metalltriflates24,36,større ekvivalenter kan være nødvendig for å påvirke fullstendig etylen acetal deprotection og strand dissosiasjon. Antall ekvivalenter som kreves kan bestemmes med MALDI massespektrometri ved å observere punkt der tråder helt dissosierer. Dissosiasjon er kritisk i selvmonteringsprosessen og er analog med smelting av nukleinsyretråder ved hevet temperatur. Den påfølgende utvinningen av katalysator muliggjør dannelse og forstyrrelse av dynamiske kovalente sammenkoblinger som driver monteringen av sekvensspesifikke duplekser. Denne gradvise annealing av oligomeric tråder omgår kinetisk fangst (som, for molekylære stiger, kan gi ut-av-registerarter eller feil par sekvenser) oppleves av andre metoder.
Kloroform er et utmerket løsningsmiddel som faseseparasjon i kloroform/acetonitrile/vannternary system som brukes her fremmer delvis utvinning av Lewis syre uten å resultere i nedbør av selvmonterte strukturer37. I tillegg er kloroform en av de få løsemidler som fremmer imindannelse samtidig som molekylær stigeløselighet opprettholdes. Spor mengder ut av registeret og feil sammenkoblede duplekser kan ofte observeres på grunn av systemets dynamiske natur. Selv om dette systemet i stor grad er upåvirket av liten variasjon i sjeldne metalltriflatkonsentrasjoner ved ekstraksjon, genererer utilstrekkelig katalysatorutvinning en betydelig del av ufullstendig hybridisering og ikke-spesifikke oligomerkoblinger. I dette tilfellet er det generelt å foretrekke å først re-dissosiere med ytterligere 1,5 ekvivalenter av katalysator og deretter trekke ut en gang i stedet for å trekke ut igjen umiddelbart, da fullstendig dissosiasjon av enkelttråder er avgjørende for prosessen. For samtidig å montere flere unike informasjonskodede molekylære stiger, kan det være nødvendig å øke konsentrasjonen av den sjeldne metalltriflate lagerløsningen som brukes til å opprettholde ekvivalenter og totalt reaksjonsvolum.
Mens disse selvsamlingene primært er preget av massespektrometri, er andre teknikker, inkludert fluorescens resonansenergioverføring (FRET), mulig. Begrensninger inkluderer mengde materiale som er nødvendig, overkommelig av monomerer og signal-til-støy-forhold. Teknikker som krever løsemidler, for eksempel 1H NMR, kan i tillegg lide av uoppløselighet av selvmonterte strukturer. Videre kan sjeldne metalltreflatekonsentrasjoner etter ekstraksjon bestemmes gjennom slike metoder som ICP-MS eller 19F NMR med en intern standard.
Etter hvert som fremgangen mot forbedret kontroll over makro- og supramolekylære nanostrukturer og materialer fortsetter, oppstår utfordringen med å designe og fabrikkere regelmessige, men modifiserbare, forsamlinger. Protokollen som er beskrevet i denne rapporten, gir en vei for å oppnå slike nanostrukturer gjennom sekvensselektive samlinger via dynamiske kovalente interaksjoner.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av det amerikanske energidepartementet, Office of Science, Basic Energy Sciences, under Award #DESC0012479. S.C.L. anerkjenner støtte fra National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program, og A.F.A. anerkjenner støtte fra Abu Dhabi National Oil Company (ADNOC).
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% |