4.6: Молекулярний імпринтинг

Last updated
Save as PDF

Page ID: 7524

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Мосбах, К. ТІБС (1994) 19:9-14

Молекулярне розпізнавання є основою багатьох біологічних процесів. Основним акцентом в біотехнології є розвиток синтетичного розпізнавання молекул і систем, які є специфічними для ліганду, що представляє інтерес. Одна гілка молекулярного дизайну передбачає синтез молекул зі специфічною стереохімічною структурою, призначених для розпізнавання і взаємодії з тим чи іншим лігандом. На відміну від цього, молекулярний імпринтинг - це метод побудови молекули, що володіє специфічними властивостями розпізнавання, завдяки тому, що ліганд сам спрямовує збірку потрібної структури

Технічні аспекти

Загальний підхід методики полягає в об'єднанні потрібної молекули «відбитка» з розчином малих мономерних молекул, який має кілька бажаних особливостей. Вони мають різні функціональні групи (наприклад, донори водневих зв'язків, акцептори, можливо кислі або основні групи, або аліфатичні або ароматичні групи). Одна або кілька з цих груп можуть конкретно взаємодіяти з молекулою відбитка (наприклад, вони можуть утворювати специфічні водневі зв'язки). Мономерні молекули можуть бути зроблені для полімеризації з утворенням жорсткого, або напівжорсткого полімеру. Молекула відбитка розчинна в розчині мономера. Мономери ні в розчині, ні в процесі полімеризації, не утворюють ковалентних зв'язків з молекулою відбитка (взаємодія строго нековалентна)

Після полімеризації мономерів (при наявності молекули відбитка) загальні риси полімеру такі:

Полімер досить пористий, щоб молекула відбитка розсіювалася (і так само дифузно)
Полімер досить жорсткий, щоб організація мономерних молекул у відповідь на молекулу відбитка зберігалася.
Тому стереохімія (тобто розмір, форма і орієнтація відповідних функціональних груп) кишені, де знаходилися молекули відбитка, зберігається.

Ці ділянки в полімері складають «індуковану молекулярну пам'ять», здатну вибірково розпізнавати молекулу відбитка

Типовою технологією виробництва полімерів було виробництво об'ємного відбиткового полімеру, а потім подрібнення його до отримання дрібних частинок (25 м). Такі дрібні кульки підходять для методів рідинної хроматографії (тобто можуть використовуватися як хроматографічні смоли і упаковані в колонку). «Підвісна» полімеризація може отримати кульки безпосередньо з процесу полімеризації

Більшість повідомлених молекулярних відбитків полімерів були зроблені з мономерів акрилатів, стиролів або силікатів, а етап імпринтування виконується в органічних розчинниках. Імпринтинг в органічних розчинниках (наприклад, розчинники з низькою діелектричною проникністю) підсилює водневі зв'язки (тобто часткові електростатичні) взаємодії. Однак це може обмежити молекули відбитків тими, які розчинні в таких розчинниках.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Імпринтинг амінокислоти L-фенілаланін мономерами метакрилової кислоти та енантіоселективне зв'язування молекули відбитка.

Крок I. «Імпринтинг»

Знімок екрана (376) .png

Малюнок 4.6.1: Відбитки

Крок II. Використання імпринтованого полімеру як хроматографічної смоли для переважно досягнення енантіомерного відбору L-фенілаланіну з рацемічної суміші L- та D-фенілаланіну

Знімок екрана (377) .png

Малюнок 4.6.2: Енантіомерний вибір

Додатки

Три основні області застосування МІП включають хроматографічні матриці для складних (наприклад енантіомерних) поділів, каталітично активних полімерів або ферментних імітацій та біо-сенсорних пристроїв.

Поділи

На ринку представлено близько 500 препаратів, які є оптично активними, близько 90% з них вводяться у вигляді рацемічних сумішей. FDA тепер вимагає, щоб для оптично активних препаратів обидва енантіомери повинні розглядатися як окремі речовини в фармакокінетичному та токсикологічному профілюванні. Існує велика потреба в препаративних методах поділу енантіомерів

Інші поділи

MIP зроблені проти конкретних алкалоїдів або опіатів може розрізняти відбиті сполуки і тісно пов'язані сполуки

Знімок екрана (378) .png

Малюнок 4.6.3: Тісно пов'язані сполуки, які можна розділити за допомогою МІП

Відбиткові полімери як імітація ферментів

Якщо відбитки будуть підготовлені проти аналогів перехідного стану, то МІП стабілізує перехідний стан і призведе до підвищення каталітичних швидкостей. Підвищені каталітичні швидкості (оборотність) порівняно зі швидкістю оборотності субстрату в розчині спостерігалися з полімерами, віддрукованими аналогами перехідного стану. Однак вони, як правило, є поганими каталізаторами. Це, швидше за все, пов'язано з тим, що специфічне стереохімічне розміщення каталітичних груп не робилося спроб. Таким чином, такі МІП являють собою відповідні рамки для розміщення каталітичних груп для досягнення ефективного каталізу

Знімок екрана (379) .png

Малюнок 4.6.4: Відбитки як підсилювач для каталітичних швидкостей

Відбиткові полімери як субстратні селективні датчики

«біосенсори» - це пристрої, які інтегрують конкретні молекули рецепторів з пристроями передачі сигналу. Перетворювач може перетворювати енергію зв'язку MIP/аналіту в зміни протонів, поглинання світла, тепла тощо Цей фізичний/хімічний сигнал посилюється і виводиться на вимірювальний пристрій. В принципі, аналітом може бути будь-яка молекула, яка може бути спеціально відбита. Наприклад, токсин навколишнього середовища.

Знімок екрана (381) .png

Малюнок 4.6.5: Полімер з відбитком як біосенсор

Висновки

Хоча більшість роботи з MIP задіяні малі молекули, в принципі слід розширити корисність MIP, щоб включити розпізнавання біомолекул (тобто білки, нуклеїнові кислоти). Подібні особливості мають проявляти такі МІП. Якщо МІП може імітувати сайти зв'язування біомолекул, вони можуть виявитися корисними альтернативами для скринінгу нових інгібіторів або антагоністів. Одним з потенційних обмежень є «мутагенез». Чи може полімер, який вже був віддрукований, бути «мутагенізований» (хімічно модифікований?) виробляти новини/розширені характеристики розпізнавання? Ще одне обмеження полягає в тому, що точна стереохімічна структура відбитка невідома. Тому структурна інформація корисного відбитка відсутня.