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建立条件温和、对水分不敏感的β-NTA开环聚合实现敞口制备β-多肽突破

β-多肽由β-氨基酸通过肽键连接而成,具有丰富的结构多样性、优异的生物相容性和耐蛋白酶水解等优点。自1996年Gellman教授首次用β多肽成功模拟了天然多肽的二级结构以来(J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 13071),为针对性地解决天然多肽体内稳定性差、生物利用度低的缺点,β-多肽作为天然多肽模拟物逐渐在蛋白折叠、药物开发和生物医药等众多领域被广泛研究和应用。


目前最常用的快速合成β-多肽的方法是β-内酰胺(β-lactam)单体在引发剂和强碱性催化剂(如LiHMDS)条件下开环聚合。但β-lactam开环聚合仍有以下局限需要突破:1)β-内酰胺开环聚合的强碱性反应条件限制了对碱不稳定的功能基团,从而限制了所制备的β-多肽的结构多样性和应用;2)需要使用超干溶剂和手套箱等设备进行严格无水操作;3)无法实现C-端可控官能化和N-/C-两端同时可控官能化(图1)。

图1. β-lactam和β-NTA开环聚合对比


为解决上述β-多肽合成的核心困难和挑战,华东理工大学刘润辉教授(点击查看介绍)课题组建立了反应条件温和、对水分不敏感的β-氨基酸N-硫代羧基酸酐(β-NTA)开环聚合,以伯胺作为引发剂、无需催化剂的情况下实现了对强碱不敏感单体的可控聚合,拓展了β-多肽的结构和功能多样性;可在敞口容器中制备可控二级结构的β-多肽,简化了实验操作和降低实验设施要求;实现了β-多肽的N-端和C-端同时可控官能化,具有重要的基础研究意义和实际应用价值。


首先,通过β-lactam聚合制备侧链含酯基的β-多肽,只能以较低收率(35.5%)得到侧链苄酯基消失的副产物,而β-NTA聚合则以较高产率(96.3%)获得侧链苄酯基完好的目标产物β-多肽。通过使用含不同官能团的β-NTA单体在手套箱外敞口容器中开环聚和,可制备了各种不同链长(DP = 10-505)、低分散性(Đ = 1.07-1.31)的β-多肽均聚物以及无规和嵌段共聚物。


进一步,以模拟宿主防御肽作为研究对象,用端基伯胺的荧光染料(Dye-NH2)引发结构不同的β-NTA单体共聚,可获得C-端荧光分子标记的多肽(Dye-peptide);通过原位与N,N-二(2-吡啶甲基)甘氨酸(DPA)反应获得N-端和C-端同时可控官能化的β-多肽(Dye-peptide-DPA)。研究表明,N-端修饰的DPA可提高β-多肽的抗菌活性,C-端修饰的荧光分子可用于研究β-多肽的抗菌机理(图2),这些结果展示了通过β-NTA开环聚合实现N-/C-两端同时可控官能化的重要意义和潜在应用价值。

图2. β-NTA开环聚合实现β-多肽N-/C-两端同时可控官能化的应用


论文还展示了在敞口容器中10克级的β3-HPhG NTA单体的聚合反应,并以76.5%的产率获得了5.6 克的目标产物多肽,通过1H NMR和MALDI-TOF-MS表征验证了目标多肽的结构。鉴于伯胺引发β-NTA开环聚合的突出的可控性和容易操作的特点,进一步展示通过逐步向反应体系中加入β-NTA单体进行逐步聚合反应(图3),可得到粗产率为71.8%的结构精确的β-六肽。

图3. 10克级β-NTA敞口聚合和β- NTA逐步聚合制备混合序列β-多肽


本研究所述的摆脱对手套箱和干燥溶剂依赖的、条件温和、对水分不敏感的β-NTA开环聚合制备β-多肽合成方法,将会拓展β-多肽的结构多样性和可控二级结构多肽的制备及功能和机理研究。简便的合成操作也为多肽相关领域非有机合成背景研究人员提供了更加友好和容易掌握的合成方法,在医药、组织工程、生物材料、生物学和化学等诸多领域具有广阔应用前景。


这一成果近期发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上,华东理工大学材料科学与工程学院博士生周敏是文章的第一作者,华东理工大学刘润辉教授是唯一通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部等基金的资助。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Water-Insensitive Synthesis of Poly-β-Peptides with Defined Architecture

Min Zhou, Ximian Xiao, Zihao Cong, Yueming Wu, Wenjing Zhang, Pengcheng Ma, Sheng Chen, Haodong Zhang, Danfeng Zhang, Donghui Zhang, Xiangfeng Luan, Yiyong Mai, Runhui Liu

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202001697


刘润辉教授简介


国家级人才、华东理工大学特聘教授。2009年在美国普渡大学(Purdue University)化学系获博士学位;2009年至2014年先后在美国加州理工学院(Caltech)和威斯康星大学-麦迪逊(UW-Madison)开展博士后研究,2014年底至今任华东理工大学材料科学与工程学院教授、博导。主要研究方向为合成聚合物作为药物和医用生物材料的探索:通过模拟宿主防御肽研究尝试解决耐药微生物感染和微生物耐药性的挑战、解决医疗器械和生物材料相关感染难题;通过模拟细胞外基质蛋白/多肽研究促细胞粘附和组织再生新材料;通过模拟蚕丝蛋白研究抗粘附和抗植入异物反应新材料。


以通讯作者在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等学术期刊上发表研究论文多篇。课题组招收博士、硕士研究生和博士后,课题组开展交叉领域研究,欢迎对有机合成、高分子合成、生物、微生物、肿瘤、免疫等任一方向有兴趣的同学加入课题组。


https://www.x-mol.com/university/faculty/17698


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