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南京肽業(yè)YM說多肽|高通量與組合化學(xué)：平行合成、混合-裂分法構(gòu)建肽庫的技術(shù)與應(yīng)用

南京肽業(yè)YM說多肽

高通量與組合化學(xué) 

平行合成、混合-裂分法構(gòu)建肽庫的技術(shù)與應(yīng)用

摘要

在新藥發(fā)現(xiàn)與化學(xué)生物學(xué)研究中，面對復(fù)雜的生物靶標(biāo)，單一的候選分子如同大海撈針。組合化學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，其核心哲學(xué)是：利用系統(tǒng)、并行的合成策略，快速構(gòu)建包含數(shù)千至數(shù)百萬個化合物的分子庫。在多肽領(lǐng)域，這一哲學(xué)通過自動化平行合成與混合-裂分技術(shù)得以極致演繹。本文將深入解析這兩大核心技術(shù)的工作流、實(shí)現(xiàn)方式及其衍生出的肽庫如何成為篩選活性先導(dǎo)化合物的強(qiáng)大引擎，并探討其如何從“數(shù)量驅(qū)動”的早期范式，演進(jìn)為當(dāng)今“質(zhì)量與設(shè)計并重”的智能篩選平臺。

一、組合化學(xué)的核心價值：從“試錯”到“系統(tǒng)搜索”

傳統(tǒng)藥物發(fā)現(xiàn)是“一個序列，一次合成，一次測試”的線性模式。組合化學(xué)將模式轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/span>

“所有可能序列”的并行合成 → 系統(tǒng)化篩選 → 快速識別活性“熱點(diǎn)”

對于由20種天然氨基酸構(gòu)成的六肽，其理論庫容量為20? = 6400萬。組合化學(xué)提供了在現(xiàn)實(shí)時間內(nèi)合成并篩選其中代表性部分的可行性方案。

二、平行合成法：陣列化與清晰溯源

平行合成是最直觀的組合策略，其核心是 “一個位置，一個化合物”。

1. 實(shí)現(xiàn)方式：

• 多反應(yīng)器陣列：使用96孔板、384孔板或由多個獨(dú)立反應(yīng)器組成的合成儀。每個孔或反應(yīng)器被視為一個獨(dú)立的“微反應(yīng)工廠”。

• 合成邏輯：通過自動化液體處理器，向同一行（或列）的所有孔中加入相同的氨基酸，但不同行（或列）加入不同的氨基酸。通過編程控制，可以在每個孔中生成不同的序列組合。

• 空間編碼：每個化合物在物理空間（如孔板上的坐標(biāo)）上有唯一地址，其結(jié)構(gòu)由它在合成過程中接收的氨基酸序列直接決定。

2. 特點(diǎn)與流程：

• 優(yōu)點(diǎn)：

  • 結(jié)構(gòu)完全明確：每個孔中的化合物是已知的、單一的。

  • 篩選便捷：可直接在原位（孔板內(nèi)）進(jìn)行生物活性測試（如酶抑制、細(xì)胞活性檢測）。

  • 易于自動化：與高通量篩選平臺無縫銜接。

• 缺點(diǎn)：

  • 庫容量受物理容器限制：一個96孔板最多產(chǎn)生96個化合物。

  • 試劑消耗相對較大：每個化合物獨(dú)立消耗一份樹脂和試劑。

• 典型應(yīng)用：定點(diǎn)掃描庫。用于系統(tǒng)研究單個或幾個關(guān)鍵位置氨基酸替換對活性的影響，是構(gòu)效關(guān)系研究的黃金標(biāo)準(zhǔn)。例如，合成一個母體肽的所有丙氨酸掃描突變體。

三、混合-裂分法：指數(shù)級擴(kuò)展與標(biāo)簽溯源

混合-裂分法是由Furka等人開創(chuàng)的革命性方法，用于合成“一個珠子，一個化合物” 的巨大肽庫。

1. 經(jīng)典工作流程（以合成三肽庫為例）：
下圖直觀展示了混合-裂分法在三輪合成中如何從3種氨基酸產(chǎn)生27種（33）三肽的“一珠一化合物”庫：

2. 特點(diǎn)與關(guān)鍵問題：

• 巨大庫容量：庫大小 = （氨基酸種類數(shù)）^（肽鏈長度）?？奢p松構(gòu)建超過百萬的庫。

• “一珠一化合物”：經(jīng)過多輪混合與裂分后，單個樹脂珠上只攜帶一種肽序列，因?yàn)樵撝樽釉诿恳惠喠逊种兄槐环峙涞揭环N氨基酸。

• 核心挑戰(zhàn)——結(jié)構(gòu)鑒定：混合-裂分后，活性珠子上的化合物結(jié)構(gòu)是未知的，必須進(jìn)行解碼。

四、肽庫的解碼技術(shù)

確定陽性珠子上的序列是關(guān)鍵。

1. Edman降解法：

   • 原理：從肽鏈N端依次切除并鑒定氨基酸。是傳統(tǒng)方法。

   • 局限：耗時、破壞樣品、對修飾氨基酸不友好。

2. 質(zhì)譜法：

   • 原理：直接從單個珠子或微量樣品進(jìn)行MALDI-TOF MS分析。通過精確分子量推斷序列，或結(jié)合串聯(lián)質(zhì)譜進(jìn)行序列解析。

   • 現(xiàn)代主流：快速、靈敏、高通量。

3. 化學(xué)編碼與標(biāo)簽法：

   • 原理：在合成肽鏈的同時，向樹脂珠引入一個化學(xué)標(biāo)簽（如寡核苷酸、小分子編碼）。該標(biāo)簽的“序列”與氨基酸的加入順序相對應(yīng)。

   • 流程：篩選到活性珠子后，通過解碼標(biāo)簽（如測序DNA或分析小分子）來反推肽序列。

   • DNA編碼庫：這是目前最強(qiáng)大的技術(shù)，將化合物的結(jié)構(gòu)信息以DNA序列的形式存儲，通過高通量測序解碼，極大地擴(kuò)展了庫容量和篩選效率。

五、肽庫的設(shè)計與應(yīng)用演進(jìn)

1. 庫設(shè)計策略：

• 全隨機(jī)庫：在特定位置使用所有20種氨基酸，探索全局化學(xué)空間。

• 偏向性/聚焦庫：基于已知的活性母核，在關(guān)鍵位置使用有限的、化學(xué)性質(zhì)多樣的氨基酸子集（如帶正電、疏水、芳香族），進(jìn)行智能化的局部探索。

• 非天然氨基酸庫：引入D-型氨基酸、N-甲基化氨基酸等，探索傳統(tǒng)空間之外的活性與穩(wěn)定性。

2. 應(yīng)用場景：

• 藥物先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)：篩選針對疾病靶標(biāo)（如GPCR、激酶、離子通道）的激動劑、拮抗劑或抑制劑。

• 表位定位：確定抗體或受體識別的關(guān)鍵肽段。

• 催化劑篩選：尋找具有酶活性的多肽。

• 材料科學(xué)：篩選具有自組裝或特定物理化學(xué)性質(zhì)的肽段。

六、未來趨勢：從“大海撈針”到“精準(zhǔn)垂釣”

早期的組合化學(xué)強(qiáng)調(diào)“庫越大越好”。如今，趨勢已轉(zhuǎn)向：

1. 數(shù)據(jù)驅(qū)動的理性設(shè)計：利用機(jī)器學(xué)習(xí)分析現(xiàn)有活性數(shù)據(jù)，預(yù)測并設(shè)計更可能具有活性的下一代庫，實(shí)現(xiàn)迭代優(yōu)化。

2. DNA編碼庫的統(tǒng)治：將化學(xué)合成與生物擴(kuò)增、測序技術(shù)結(jié)合，庫容量可達(dá)百億級，徹底改變了先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)的游戲規(guī)則。

3. 動態(tài)組合化學(xué)：在生物靶標(biāo)存在下進(jìn)行庫的組裝，讓靶標(biāo)主動選擇并富集其最佳配體。

結(jié)論

高通量與組合化學(xué)，是將多肽合成的“分子復(fù)制”能力指數(shù)級放大的系統(tǒng)工程技術(shù)。平行合成提供了清晰、定量的構(gòu)效關(guān)系圖譜，而混合-裂分法則打開了探索浩瀚化學(xué)空間的大門。隨著解碼技術(shù)（尤其是質(zhì)譜與DNA編碼）的成熟，組合化學(xué)已從一種產(chǎn)生海量化合物的蠻力工具，演變?yōu)橐粋€集理性設(shè)計、高效合成、智能篩選與解碼于一體的閉環(huán)發(fā)現(xiàn)引擎。掌握這些技術(shù)，意味著能夠系統(tǒng)性地詢問生物學(xué)問題，并從分子宇宙中快速、高效地召喚出答案，極大地加速了從生物學(xué)靶點(diǎn)到治療候選物的轉(zhuǎn)化歷程。

南京肽業(yè)YM說多肽|高通量與組合化學(xué)：平行合成、混合-裂分法構(gòu)建肽庫的技術(shù)與應(yīng)用