Mikrowellenbeschleunigte Peptidsynthese

Die erste Peptid-Synthese in einem Haushalts-Mikrowellengerät führten Wang et al 1992 durch (Journal of Organic Chemistry 57, 18, 4781-4787). Bei 10% der verfügbaren Mikrowellenleistung wurde eine 2 bis 4fache Reaktionsbeschleunigung bei einer Reaktionstemperatur von 55 °C beobachtet. Es ergab sich allerdings das für Haushaltsgeräte typische Problem der schlechten Reproduzierbarkeit.

Varanda et al berichteten 1997 (Journal of Peptide Research 50, 2, 102-108) von der Synthese des ACP-Peptids bei 60 °C. Es wurde eine dreifache Reaktionsbeschleunigung sowie eine höhere Reinheit erzielt.

Basierend auf diesen Ergebnissen präsentierten Collins et al 2003 auf dem American Peptide Symposium die weiterentwickelte, reproduzierbare Peptid-Synthese in dem Mikrowellen-Laborsystem Discover. Als optimale Reaktionstemperatur wurde 60 °C ermittelt und es wurde eine 10 bis 20-fache Reaktionsbeschleunigung für reine Peptide beobachtet.

Nach anfänglicher Skepsis der meisten Peptidchemiker hat sich in den letzten Jahren der Einsatz der Mikrowelle bei der Synthese von Peptiden mehr und mehr durchsetzen können. Zahlreiche Publikationen der letzten Jahre belegen, dass unter Mikrowelleneinwirkung gerade sehr schwierige Sequenzen gut synthetisierbar werden, was vor allem auf die Eliminierung der Aggregationsproblematik hydrophober Peptidketten zurückzuführen ist. Hervorzuheben ist, dass es in der Mikrowelle trotz thermischer Effekte zu einer Unterdrückung der Racemisierung kommt [S.A. Palasek, Journal of Peptide Science 13/3 (2007), 143-148]. Auch andere klassische Nebenreaktionen in der Peptidsynthese wie z.B. Aspartimidbildung können durch Optimierung der Reaktionsbedingungen in der Mikrowelle minimiert werden. Durch die zunehmende Verbreitung der Mikrowellenpeptidsynthese werden natürlich auch die Protokolle zur Peptidsynthese zunehmend verfeinert und optimiert. So wird beispielsweise von vielen Anwendern das leichter zugängliche und weniger gesundheitsschädliche Piperazin zur Abspaltung der Fmoc-Gruppe benutzt. Durch all diese Optimierungen werden die Ausbeuten bei den einzelnen Syntheseschritten kontinuierlich optimiert, so dass die Kettenlänge der synthetisierbaren Peptide in den letzten Jahren deutlich gestiegen ist. In Verbindung mit einer geeigneten Capping / Tagging-Strategie lassen sich heutzutage auch Peptide mit mehr als 100 Aminosäuren sinnvoll an einem Stück synthetisieren.

Apparativ stehen dem Anwender dabei mittlerweile sowohl manuelle als auch voll automatisierte Systeme zur Verfügung. Für die manuelle Peptidsynthese findet das Discover Bio Anwendung, in dem Ansatzgrössen von bis zu 3 mmol realisierbar sind. Ein durchschnittlicher Kopplungszyklus (inkl. Waschvorgängen) dauert in diesem System ca. 4 Minuten.

Mit steigender Peptidlänge macht die Anwendung eines automatisierten Systems Sinn – nicht zuletzt aufgrund der höheren Zuverlässigkeit. Hierfür stehen mit der Liberty Familie verschiedene vollautomatisierte Systeme zur Verfügung, die in den letzten Jahren software- und hardwaretechnisch soweit optimiert wurde, dass mittlerweile praktisch jede Art von Chemie auf einfache Art und Weise implementiert werden kann. Die Geräte ermöglichen die Verwendung von bis zu 27 verschiedenen building blocks (die gängigen Reagenzien sind bei CEM bereits fertig abgewogen kommerziell erhältlich) und verfügt über 12 oder wahlweise 24 Harzpositionen, d.h. es können bis zu 24 Peptide nacheinander synthetisiert werden. Die Ansatzgrösse ist dabei im Bereich von 0.1 mmol bis 5.0 mmol frei wählbar. Für die weiteren benötigten Reagenzien (Aktivator, Base, Capping, Lösungsmittel) stehen weitere Anschlüsse zur Verfügung, die genau wie die Positionen der building blocks frei vom Anwender definiert werden können, so dass die Systeme an Flexibilität kaum zu überbieten sind. In der Regel genügen zwar die mit der Software mitgelieferten Syntheseprotokolle, allerdings hat der Anwender die Möglichkeit, eine individuelle Optimierung der Reaktionsbedingungen durchzuführen.

In der Regel sind jedoch auch ohne aufwendige Optimierungen mit den Standardprotokollen sehr gute Ergebnisse realisierbar. Ein gutes Beispiel für ein „schwieriges Peptid“ stellt das beta-Amyloid dar, welches ein aus der Alzheimer Forschung bekanntes 42 mer darstellt. Unter konventionellen Bedingungen wird das Peptid in einer Reinheit von nur 10 % gewonnen, während mit dem Liberty und Verwendung von Standardprotokollen (d. h. ohne Optimierung) bereits eine Rohprodukt-Reinheit von 69 % erreicht wird.