Полимер с контролируемой последовательностью
 | В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
Полимер с контролируемой последовательностью представляет собой макромолекулу , в которой последовательность мономеров в некоторой степени контролируется. [1] [2] Этот контроль может быть абсолютным, но не обязательно. Другими словами, полимер с контролируемой последовательностью может быть однородным (его дисперсность Ð равна 1) или неоднородным (Ð>1). Например, чередующийся сополимер, синтезированный методом радикальной полимеризации, представляет собой полимер с контролируемой последовательностью, даже если он также является неоднородным полимером, в котором цепи имеют разную длину и немного разный состав. [2] Биополимер белок (например, ) с четко определенной первичной структурой также является полимером с контролируемой последовательностью. Однако в случае однородных макромолекул термин «полимер с определенной последовательностью» также можно использовать .
По сравнению с традиционными полимерами , состав полимеров с контролируемой последовательностью может быть точно определен с помощью химических синтетических методов, таких как многокомпонентные реакции, реакции щелчка и т. д. Такой настраиваемый способ полимеризации наделяет полимеры с контролируемой последовательностью особыми свойствами и, таким образом, полимеры с контролируемой последовательностью. -приложения (например, хранение информации, [3] биоматериалы , [3] наноматериалы [4] и т. д.) разрабатываются.
В природе ДНК , РНК , белки и другие макромолекулы также могут быть признаны полимерами с контролируемой последовательностью из-за их хорошо упорядоченного структурного скелета. ДНК, основанная на парах оснований AT, CG, формируется в хорошо выровненных последовательностях. Благодаря точным последовательностям ДНК 20 аминокислот способны генерировать последовательные пептидные цепи с трехмерной структурой посредством процесса транскрипции и трансляции . Эти упорядоченные последовательности различных компонентов наделяют организмы сложными и разнообразными функциями.
Синтетические методы
[ редактировать ]Традиционные полимеры обычно состоят из одного повторяющегося звена или нескольких повторяющихся звеньев, расположенных в случайной последовательности. Полимеры с контролируемой последовательностью состоят из различных повторяющихся звеньев, которые расположены упорядоченно. Для управления последовательностью разрабатываются различного рода синтетические методики.
Биологическая полимеризация с контролируемой последовательностью
[ редактировать ]
ДНК, РНК и белки являются наиболее распространенными полимерами с контролируемой последовательностью у живых существ. Вдохновленные ими, разрабатываются методы полимеризации, использующие ДНК или РНК в качестве матриц для контроля последовательностей полимера. Сначала, взяв в качестве матрицы ДНК или РНК, ученые разработали серию полимеров на основе пептидно-нуклеиновых кислот (ПНК) без использования ДНК- полимераз . [6] [7] Но этот метод ограничен масштабом и выходом полимеризации. [1] После этого полимеразная цепная реакция (ПЦР), которая в настоящее время по-прежнему остается наиболее широко используемым методом с регулируемой последовательностью. разрабатывается [8] При использовании ферментов выходы и масштабы значительно увеличиваются, но специфичность ферментов по отношению к природным пептидам в определенной степени ограничивает этот метод. В настоящее время все больше внимания уделяется использованию рибосом для непосредственной имитации процесса транскрипции и трансляции. [9] Эта технология, называемая белковой инженерией, считается наиболее перспективным методом биологической полимеризации для синтеза полимеров с контролируемой последовательностью.
Последовательно-контролируемая химическая полимеризация
[ редактировать ]Помимо методов биологической полимеризации, ученые также разработали многочисленные методы химического синтеза полимеров с контролируемой последовательностью. По сравнению с биологической полимеризацией, химическая полимеризация может обеспечить большее разнообразие, но большинство химических методов не могут предложить эффективность и специфичность биологических методов. [1]
Твердофазный синтез
[ редактировать ]Одним из методов химической полимеризации является твердофазный синтез, с помощью которого можно синтезировать пептиды, состоящие из природных и неприродных аминокислот. В этом методе мономеры прикрепляются к полимерной цепи посредством амидирования карбонильной группы и аминогруппы. В целях контроля последовательности аминогруппы обычно защищают 9-флуоренилметилоксикарбонильной группой ( Fmoc ) и трет-бутилоксикарбонилом (Boc). [10] которые могут быть удалены в щелочной и кислотной среде соответственно, чтобы участвовать в удлинении цепи на следующем этапе.
Радикальная полимеризация с контролируемой последовательностью
[ редактировать ]Радикальная полимеризация является одним из наиболее часто используемых методов полимеризации. Около 50% коммерчески доступных полимеров синтезируются методом радикальной полимеризации. [11] Однако недостатки этого метода очевидны: последовательности и полимерные свойства невозможно хорошо модулировать. Чтобы преодолеть эти ограничения, ученые оптимизировали используемые протоколы. Первым сообщенным примером было контролируемое по времени последовательное добавление высокореакционноспособных N-замещенных малеимидов в радикальной полимеризации с стирола переносом атома , что привело к образованию запрограммированных последовательностей функциональных мономеров. [12] Также сообщалось о разработке метода добавления одиночных молекул в радикальную полимеризацию с переносом атома (ATRP), который усиливает контроль последовательности радикальной полимеризации. [13] Другие решения включают использование промежуточных стадий очистки для выделения желаемой последовательности олигомера между последующей полимеризацией с обратимым присоединением-фрагментацией и переносом цепи (RAFT-полимеризацией). Обе флэш-колоночные хроматографии [14] и переработка эксклюзионной хроматографии [15] оказались успешными в этом отношении. Вставка мономера RAFT (SUMI) недавно была разработана как новая технология для точного контроля последовательности мономера. [16]
Нерадикальная полимеризация с контролируемой последовательностью
[ редактировать ]
Из-за внутреннего недостатка радикальной полимеризации для полимеров с контролируемой последовательностью также разработаны другие нерадикальные полимеризации. В рамках этих нерадикальных методов азид-алкиновое циклоприсоединение (также известное как реакция щелчка), [18] метатезис олефинов [19] среди прочего используются для создания полимеров с контролируемой последовательностью. В зависимости от этих конкретных химических реакций мономеры точно добавляются к полимерной цепи, и ступенчато формируется упорядоченная цепь. Между тем, применяя множество химических реакций, химики разработали и многокомпонентные реакции. [20] для ускорения создания полимерных каркасов, а также для увеличения разнообразия. Помимо вышеупомянутого, существовала исследовательская группа, разрабатывающая молекулярную машину, которая успешно осуществляет полимеризацию олигопептидов с контролируемой последовательностью . [21]
Методология улучшения контроля последовательности
[ редактировать ]Наиболее важным свойством полимеров с контролируемой последовательностью является контролируемая последовательность основной цепи полимера. Тем не менее, реализация точного контроля последовательности и регулирование последовательностей в более крупных основных цепях полимеров также являются наиболее актуальной проблемой, которую необходимо решить в области полимеров с контролируемой последовательностью. Большие усилия были приложены для разработки и оптимизации методов улучшения свойств контроля последовательности существующих в настоящее время синтетических методов, а также для дальнейшего развития совершенно новых методов с большей синтетической эффективностью и контролем последовательности.
Использование шаблонов
[ редактировать ]Одним из наиболее важных особенностей биосинтеза с контролируемой последовательностью по сравнению с другими методами химического синтеза является то, что биомолекулы (включая ДНК и РНК) могут инициировать свою полимеризацию с использованием высоко запрограммированных шаблонов. Следовательно, методы биосинтеза, такие как ПЦР , по-прежнему считаются одним из наиболее убедительных способов разработки полимеров с контролируемой последовательностью.
Регуляция реакционной способности мономера
[ редактировать ]Модулирование реакционной способности между мономером и растущей полимерной цепью является еще одним подходом к усилению контроля последовательности. [22] Обоснование этого метода заключается в том, что мономер должен быть активирован первым катализатором вначале как спящая частица, которая затем может участвовать в полимеризации при введении второго катализатора. Реальным примером является использование HI в качестве первого катализатора и ZnI 2 в качестве второго катализатора для достижения контролируемой последовательности полимеризации виниловых эфиров и производных стирола . [23]
Вставка, ориентированная на распознавание
[ редактировать ]
В этом подходе предлагается сайт узнавания на полимере для нековалентного закрепления мономера на полимерной цепи, которая впоследствии может пройти химическую вставку в основную цепь полимера. Один успешный пример демонстрирует, что метакриловая кислота (мономер) может быть радикально включена в основную цепь с узнаваемым катионным участком ( подвеска протоната d первичного амина ). [24] Благодаря этой сайт-специфической реакции полимеризация с контролируемой последовательностью может быть достигнута с использованием матрицы, украшенной различными узнаваемыми подвесками.
Свойства и применение
[ редактировать ]Наиболее отличительной особенностью полимеров с контролируемой последовательностью являются хорошо упорядоченные цепи, состоящие из различных повторяющихся звеньев. [25] Кодируя повторяющиеся звенья, соответствующим образом синтезированный полимер с контролируемой последовательностью можно использовать для хранения данных. [26] Модифицировав мономер некоторыми биологически активными фрагментами, полученный полимер с контролируемой последовательностью способен лечить заболевания. Свойство контроля последовательности делает полимеры с контролируемой последовательностью идеальной платформой для установки различных видов подвесок (например, лекарств , катализаторов ), благодаря чему могут быть реализованы разнообразные функции и приложения.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Лутц, Жан-Франсуа; Оучи, Макото; Лю, Дэвид Р.; Савамото, Мицуо (9 августа 2013 г.). «Полимеры с контролируемой последовательностью». Наука . 341 (6146): 1238149. doi : 10.1126/science.1238149 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 23929982 . S2CID 206549042 .
- ^ Jump up to: а б Лутц, Жан-Франсуа (01 декабря 2017 г.). «Определение области полимеров с контролируемой последовательностью». Макромолекулярная быстрая связь . 38 (24): н/д. дои : 10.1002/marc.201700582 . ISSN 1521-3927 . ПМИД 29160615 .
- ^ Jump up to: а б Шницлер, Тобиас; Херрманн, Андреас (18 сентября 2012 г.). «Блок-сополимеры ДНК: функциональные материалы для нанонауки и биомедицины» (PDF) . Отчеты о химических исследованиях . 45 (9): 1419–1430. дои : 10.1021/ar200211a . ISSN 0001-4842 . ПМИД 22726237 .
- ^ Алдайе, Фейсал А.; Палмер, Элисон Л.; Сулейман, Ханади Ф. (26 сентября 2008 г.). «Сборка материалов с использованием ДНК в качестве руководства». Наука . 321 (5897): 1795–1799. Бибкод : 2008Sci...321.1795A . дои : 10.1126/science.1154533 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 18818351 . S2CID 2755388 .
- ^ Хиби, Юске; Оучи, Макото; Савамото, Мицуо (21 марта 2016 г.). «Стратегия контроля последовательности виниловых полимеров посредством итеративной контролируемой радикальной циклизации» . Природные коммуникации . 7 : 11064. Бибкод : 2016NatCo...711064H . дои : 10.1038/ncomms11064 . ISSN 2041-1723 . ПМК 4802161 . ПМИД 26996881 .
- ^ Бёлер, Кристоф; Нильсен, Питер Э.; Оргел, Лесли Э. (17 августа 1995 г.). «Матричное переключение между олигонуклеотидами ПНК и РНК». Природа . 376 (6541): 578–581. Бибкод : 1995Natur.376..578B . дои : 10.1038/376578a0 . ПМИД 7543656 . S2CID 4319470 .
- ^ Кляйнер, Ральф Э.; Брудно, Евгений; Бирнбаум, Майкл Э.; Лю, Дэвид Р. (1 апреля 2008 г.). «Полимеризация с использованием шаблона ДНК альдегидов пептидных нуклеиновых кислот с функциональной боковой цепью» . Журнал Американского химического общества . 130 (14): 4646–4659. дои : 10.1021/ja0753997 . ISSN 0002-7863 . ПМЦ 2748799 . ПМИД 18341334 .
- ^ Сайки, РК; Гельфанд, Д.Х.; Стоффель, С.; Шарф, С.Дж.; Хигучи, Р.; Хорн, GT; Муллис, КБ; Эрлих, ХА (29 января 1988 г.). «Праймер-направленная ферментативная амплификация ДНК с помощью термостабильной ДНК-полимеразы» . Наука . 239 (4839): 487–491. Бибкод : 1988Sci...239..487S . дои : 10.1126/science.239.4839.487 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 2448875 .
- ^ МакГрат, Кевин П.; Фурнье, Мориль Ж.; Мейсон, Томас Л.; Тиррелл, Дэвид А. (1 января 1992 г.). «Генетически направленный синтез новых полимерных материалов. Экспрессия искусственных генов, кодирующих белки с повторяющимися -(AlaGly)3ProGluGly-элементами». Журнал Американского химического общества . 114 (2): 727–733. дои : 10.1021/ja00028a048 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Паломо, Хосе М. (25 июля 2014 г.). «Твердофазный синтез пептидов: обзор, посвященный получению биологически значимых пептидов» (PDF) . РСК Прогресс . 4 (62): 32658–32672. Бибкод : 2014RSCAd...432658P . дои : 10.1039/c4ra02458c . hdl : 10261/187255 . ISSN 2046-2069 .
- ^ Матияшевский, Кшиштоф; Спэнсуик, Джеймс (01 марта 2005 г.). «Контролируемая/живая радикальная полимеризация» . Материалы сегодня . 8 (3): 26–33. дои : 10.1016/S1369-7021(05)00745-5 .
- ^ Пфайфер, Себастьян; Лутц, Жан-Франсуа (1 августа 2007 г.). «Простая процедура контроля распределения мономерных последовательностей при радикально-цепной полимеризации». Журнал Американского химического общества . 129 (31): 9542–9543. дои : 10.1021/ja0717616 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 17636902 .
- ^ Тонг, Синьмин; Го, Бао-хуа; Хуан, Яньбинь (07 февраля 2011 г.). «На пути к синтезу виниловых сополимеров с контролируемой последовательностью». хим. Коммун . 47 (5): 1455–1457. дои : 10.1039/c0cc04807k . ISSN 1364-548X . ПМИД 21125120 .
- ^ Хейвен, Джорис; Де Неве, Жерун; Юнкерс, Таня (24 июня 2017 г.). «Универсальный подход к синтезу монодисперсных 18- и 20-мерных олигоакрилатов с определенной последовательностью». Макробуквы ACS . 6 (7): 743–747. doi : 10.1021/acsmacrolett.7b00430 . HDL : 1942/23949 . ПМИД 35650855 .
- ^ Ванденберг, Шутка; Реекманс, Гюнтер; Адриансенс, Питер; Юнкерс, Томас (17 сентября 2013 г.). «Синтез акрилатных олигомеров с контролируемой последовательностью путем последовательного добавления мономеров RAFT» . Химические коммуникации . 49 (88): 10358–10360. дои : 10.1039/c3cc45994b . HDL : 1942/15968 . ПМИД 24079009 .
- ^ Сюй, Цзянтао (21 октября 2019 г.). «Вставка единичного мономера: универсальная платформа для молекулярной инженерии посредством реакций радикального присоединения и полимеризации». Макромолекулы . 52 (23): 9068–9093. Бибкод : 2019МаМол..52.9068X . doi : 10.1021/acs.macromol.9b01365 . hdl : 1959.4/unsworks_80511 . ISSN 0024-9297 . S2CID 208746564 .
- ^ Чен, Юлин; Гуань, Жибин (7 апреля 2010 г.). «Биоинспирационный модульный синтез полимеров, имитирующих эластин, для исследования механизма эластичности эластина». Журнал Американского химического общества . 132 (13): 4577–4579. дои : 10.1021/ja9104446 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 20235503 .
- ^ Ю, Тинг-Бин; Бай, Джейн З.; Гуань, Жибин (26 января 2009 г.). «Самосборка полимера, стимулируемая циклоаддицией, в четко определенные β-листы и иерархические нанофибриллы» . Angewandte Chemie, международное издание . 48 (6): 1097–1101. дои : 10.1002/anie.200805009 . ISSN 1521-3773 . ПМК 3375212 . ПМИД 19115358 .
- ^ Норрис, Бенджамин Н.; Пан, Тяньци; Мейер, Тара Ю. (3 декабря 2010 г.). «Итеративный синтез гетеротелехелатных олиго(фенилен-винилен) методом перекрестного метатезиса олефинов». Органические письма . 12 (23): 5514–5517. дои : 10.1021/ol102398y . ISSN 1523-7060 . ПМИД 21069981 .
- ^ Чжан, Цзе; Ты, Е-Зи; Ву, Де-Чэн; Хун, Чун-Янь (9 июня 2015 г.). «Синтез полимеров с контролируемой последовательностью посредством последовательных многокомпонентных реакций». Макромолекулы . 48 (11): 3414–3421. Бибкод : 2015МаМол..48.3414Z . doi : 10.1021/acs.macromol.5b00463 . ISSN 0024-9297 .
- ^ Левандовски, Бартош; Бо, Гийом Де; Уорд, Джон В.; Папмейер, Маркус; Кушель, Соня; Альдегунде, Мария Х.; Грамлих, Филипп М.Э.; Хекманн, Доминик; Голдап, Стивен М. (11 января 2013 г.). «Синтез специфичных для последовательности пептидов с помощью искусственной низкомолекулярной машины» . Наука . 339 (6116): 189–193. Бибкод : 2013Sci...339..189L . дои : 10.1126/science.1229753 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 23307739 . S2CID 206544961 .
- ^ Лутц, Жан-Франсуа (9 февраля 2010 г.). «Последовательно-контролируемая полимеризация: следующий Святой Грааль в науке о полимерах?». Полимерная химия . 1 (1): 55. дои : 10.1039/b9py00329k . ISSN 1759-9962 .
- ^ Минода, Масахико; Савамото, Мицуо; Хигасимура, Тошинобу (1 ноября 1990 г.). «Олигомеры и полимеры с регулируемой последовательностью путем живой катионной полимеризации. 2. Принцип регулирования последовательности и синтез олигомеров с регулируемой последовательностью функциональных виниловых эфиров и производных стирола». Макромолекулы . 23 (23): 4889–4895. Бибкод : 1990МаМол..23.4889М . дои : 10.1021/ma00225a001 . ISSN 0024-9297 .
- ^ Jump up to: а б Ида, Шохей; Терашима, Такая; Оучи, Макото; Савамото, Мицуо (12 августа 2009 г.). «Селективное радикальное присоединение к разработанному гетеробифункциональному галогениду: первичное исследование в области контролируемой последовательности полимеризации с эффектом шаблона». Журнал Американского химического общества . 131 (31): 10808–10809. дои : 10.1021/ja9031314 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 19603819 .
- ^ Аксакал Р.; Мертенс, К.; Соэте, М.; Бади, Н.; Дю Пре, Ф. (2021). «Применение дискретных синтетических макромолекул в науке о жизни и материалах: последние и будущие тенденции» . Передовая наука . 2021 (2004038): 1–22. дои : 10.1002/advs.202004038 . ПМК 7967060 . ПМИД 33747749 .
- ^ Стейнкениг, Дж.; Аксакал Р.; Дю Пре, Ф. (2019). «Молекулярный доступ к многомерно закодированной информации» . Европейский журнал полимеров . 2019 (120): 1–7. doi : 10.1016/j.eurpolymj.2019.109260 . S2CID 203945424 .