2020年5月21日消息,最近,受到自动合成多核苷酸和多肽的启发,德国马普研究所的Peter H. Seeberger教授课题组在自动多糖合成装置(AGA)中,通过201个步骤,仅用188小时就合成出了100个链段长度的多糖碳水化合物,一举打破了之前92的记录,收率为5%。他们还将合成的30和31个链段长度的寡糖[31 + 30 + 30 + 30 + 30]通过偶联反应制备出151个链段长度的枝链聚甘露糖苷,收率41%。这一研究提出了一种快速合成结构确定的长链多糖化合物的方法,必将有利促进生物和材料科学的发展。


史上最长人工合成多糖!“糖之父”Seeberger打破世界纪录

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图1. 直链多糖的自动合成过程。(A)概念:每个过程由4步组成:酸洗、糖基化、保护未反应的亲核基团、脱保护以进行下一个循环;(B)自动合成100个链段的α-(1-6)-多甘露糖苷4。


为了合成100个链段长度的直链多糖化合物,研究者在AGA中加入含有光裂解基团的聚苯乙烯Merrifield树脂和19 μmol的甘露糖2进行反应,每个过程由4步组成:①酸洗20分钟,以去除残留的碱;②糖基化反应20-60分钟,甘露糖为5-6.5当量;③保护未反应的亲核基团30分钟;④脱除Fmoc碳酸酯保护基团14分钟,以进行下一个糖基化反应。上述4个步骤重复进行就能不断增加多糖的链长。


随着多糖链长的不断增加,糖基化反应时间随之增加,链长为40时,时间从20分钟增加到40分钟,超过80后,糖基化时间延长到60分钟,经过188小时后多糖链段增长到100。最初加入了9 g甘露糖2,最终得到了39 mg 的α-(1-6)-聚甘露糖苷3,收率为5%。通过自动合成方法,研究者合成了最长链段的多糖化合物,大大降低了合成时间。


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图2. 从30个和31个链段长度的聚甘露糖苷(7、8和10)偶联合成151个链段长度的支链聚甘露糖苷12。(A)利用AGA合成30链段长度的聚甘露糖苷7和8;(B)合成31个链段长度的聚甘露糖苷10;(C)8和10偶联反应得到11。


为了制备出枝状结构的多糖,研究者以树脂5为载体,甘露糖2为原料,经过45小时合成了线性α-(1-6)- 聚甘露糖苷6,在光解、三氯乙腈或脱氧氟处理后得到了化合物7和8。随后研究者以甘露糖2和分支结构9合成了31个链段长度的聚甘露糖苷10。


他们以三氟甲磺酸银-茂铁二氯化物为活化剂,以6当量的化合物8和10合成了151个链段长度的枝状多糖11,收率为78%,同时还产生了20%的121个链段长度的副产物。


在化合物11中加入甲醇钠处理16小时,以去除148个酯基保护基体,然后通入氢气,以钯/碳为催化剂,氢化72小时去除302个苄基醚和1个Cbz保护基团,最终得到了完全脱保护的化合物12,收率41%,通过1H、13C NMR以及MALDI-mass分析确定了支链12是迄今为止人工合成的最长枝链多糖。


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研究小结


德国马普研究所的Peter H. Seeberger教授课题组在AGA中以PS树脂为载体、甘露糖2为原料,仅耗时188小时就合成了100个链段长度的聚甘露糖苷化合物,收率5%,一举打破了92个链段长度的记录。每个过程包括酸洗、糖基化、保护和脱保护四个步骤,重复这个过程就能不断增加多糖的链长,随着多糖链长的不断增加,糖基化反应时间随之增加,链长超过80后,糖基化时间提高到60分钟。他们还以链长30的直链聚甘露糖苷7和8,链长31的枝链聚甘露糖苷10为原料合成了151个链段长度的枝状多糖11,在脱除了148个酯基、302个苄基醚和1个Cbz保护基团后,得到了迄今为止最长的枝链多糖化合物,收率41%。


研究背景


多糖是一类像核酸、蛋白质的生物大分子,在生命过程中发挥着重要的作用。由于多糖的结构复杂而且存在微观不均一性,其合成又没有像核酸和蛋白质那样有固定的模板可以遵循,因此多糖的合成问题长期困扰着合成化学家。阿拉伯半乳聚糖(Arabinogalactan)是一种重要的多糖,它是结核分枝杆菌细胞壁的重要组成成分,与细菌的存活力和致病力相关。该分子由一条半乳聚糖链(A链)和两条紧密靠近的阿拉伯聚糖链(B链)所组成(图4),具有高度分支的结构,其化学合成不仅为结核分枝杆菌细胞壁生物合成机制的阐释提供基础,而且有助于开发预防结核病的新型糖疫苗。正因为如此,该多糖分子近二十年来一直吸引着国内外糖化学研究小组的兴趣;然而该分子结构复杂,其人工合成存在巨大的挑战性。


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图4.阿拉伯半乳聚糖的结构示意图


2017年,北京大学医学部叶新山课题组从简单的单糖原料出发,采用他们前期所发展的基于糖基供体“预活化”的一釜寡糖合成策略(Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43, 5221),以克级规模实现了寡糖链的大量制备;并且利用构象受限的糖基供体高立体选择性地构建1,2-顺式糖苷键;随后再次使用“预活化”一釜寡糖合成策略分别完成了两条多糖链(A链和B链)的快速组装;最后采用他们自己发展的糖基化反应偶联剂(Synlett,2006, 2846),经[31+31+30]糖基化反应将两条B链与A链定点对接,顺利实现了高度分支化、由92个单糖单元所组成的阿拉伯半乳聚糖的首次全合成。


文章来源: 高分子科学前沿

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