Динамическая комбинаторная химия ( DCC ); также известная как конституционная динамическая химия ( CDC ), представляет собой метод генерации новых молекул, образованных обратимой реакцией простых строительных блоков под термодинамическим контролем . [3] [4] Библиотека [ необходимо дополнительное объяснение ] этих обратимо взаимопревращающихся строительных блоков называется динамической комбинаторной библиотекой ( DCL ). [5] [6] Все компоненты в DCL находятся в равновесии , и их распределение определяется их термодинамической стабильностью внутри DCL. Взаимопревращение этих строительных блоков может включать ковалентные или нековалентные взаимодействия. Когда DCL подвергается внешнему воздействию (например, белкам или нуклеиновым кислотам ), равновесие сдвигается, и те компоненты, которые взаимодействуют с внешним воздействием, стабилизируются и усиливаются , что позволяет образовывать больше активного соединения.
История
Согласно современному определению, динамическая комбинаторная химия обычно считается методом содействия образованию новых химических видов путем обратимого связывания простых строительных блоков под термодинамическим контролем. [4] Известно, что этот принцип выбирает наиболее термодинамически стабильный продукт из уравновешивающей смеси ряда компонентов, концепция, обычно используемая в синтетической химии для прямого контроля селективности реакции. [7] Хотя этот подход, возможно, использовался в работах Фишера [8] и Вернера [9] еще в 19 веке, их соответствующие исследования углеводной и координационной химии ограничивались элементарными предположениями, требующими обоснования современной термодинамики. [10] [11] Только после того, как супрамолекулярная химия раскрыла ранние концепции молекулярного распознавания, комплементарности и самоорганизации, химики смогли начать использовать стратегии для рационального проектирования и синтеза макромолекулярных мишеней. [12] Концепция шаблонного синтеза получила дальнейшее развитие и рационализацию благодаря пионерской работе Буша в 1960-х годах, которая четко определила роль шаблона иона металла в стабилизации желаемого «термодинамического» продукта, что позволило выделить его из сложной равновесной смеси. [13] [14] Хотя работа Буша помогла установить шаблонный метод как мощный синтетический путь к стабильным макроциклическим структурам, этот подход оставался исключительно в области неорганической химии до начала 1990-х годов, когда Сандерс и др. впервые предложили концепцию динамической комбинаторной химии. [4] Их работа объединила термодинамическое шаблонирование в тандеме с комбинаторной химией, чтобы создать ансамбль сложных порфириновых и иминовых макроциклов, используя скромный выбор простых строительных блоков.
Затем Сандерс разработал это раннее проявление динамической комбинаторной химии как стратегию для органического синтеза; первым примером является термодинамически контролируемая макролактонизация олигохолатов для сборки циклических стероидных макроциклов, способных к взаимопревращениям посредством обмена компонентами. [15] Ранние работы Сандерса и др. использовали переэтерификацию для создания динамических комбинаторных библиотек. Оглядываясь назад, было досадно, что сложные эфиры были выбраны для опосредования обмена компонентами, поскольку процессы переэтерификации по своей природе медленные и требуют энергичных безводных условий. [4] Однако их последующие исследования показали, что как дисульфидные, так и гидразоновые ковалентные связи демонстрируют эффективные процессы обмена компонентами и, таким образом, представляют собой надежное средство создания динамических комбинаторных библиотек, способных к термодинамическому шаблонированию. Эта химия в настоящее время составляет основу многих исследований в развивающейся области динамической ковалентной химии и в последние годы превратилась в мощный инструмент для открытия молекулярных рецепторов.
Направленный на белок
Одним из ключевых достижений в области DCC является использование белков (или других биологических макромолекул , таких как нуклеиновые кислоты ) для влияния на эволюцию и генерацию компонентов в DCL. [16] [17] [18] [19] [20] [21] DCC, направленный на белок, обеспечивает способ генерации, идентификации и ранжирования новых белковых лигандов и, следовательно, имеет огромный потенциал в областях ингибирования ферментов и открытия лекарств . [22]
Обратимые ковалентные реакции
Разработка DCC, направленных на белок, не была простой, поскольку используемые обратимые реакции должны происходить в водном растворе при биологическом pH и температуре , а компоненты DCL должны быть совместимы с белками . [16] [22]
Несколько обратимых реакций были предложены и/или применены в белок-направленном DCC. Они включали образование эфира бороната, [23] [24] [25] обмен диселенидов-дисульфидов, [26] образование дисульфида, [27] [28] [29] образование гемитиолацеталя, [30] [31] образование гидразона, [32] [33] образование имина [34] [35] [36] и обмен тиол-енона. [37]
Обратимые нековалентные реакции, такие как координация металл - лиганд , [40] [41] также были применены в белок-направленном DCC. Эта стратегия полезна для исследования оптимальной стереохимии лиганда к сайту связывания целевого белка . [42]
Система DCC, направленная на белок, должна поддаваться эффективному скринингу. [16] [22] Для анализа DCL, направленной на белок, было применено несколько аналитических методов. К ним относятся ВЭЖХ , [27] [31] [32] [35] масс-спектрометрия , [24] [28] [29] [33] ЯМР-спектроскопия , [23] [25] [30] и рентгеновская кристаллография . [46]
Мультипротеиновый подход
Хотя большинство применений DCC, направленных на белок, на сегодняшний день предполагают использование одного белка в DCL, можно идентифицировать белковые лиганды, используя несколько белков одновременно, при условии наличия подходящей аналитической методики для обнаружения видов белков, которые взаимодействуют с компонентами DCL. [47] Этот подход может быть использован для идентификации специфических ингибиторов или ингибиторов ферментов широкого спектра действия.
Другие приложения
DCC полезен для идентификации молекул с необычными связывающими свойствами и обеспечивает синтетические пути к сложным молекулам, которые нелегко получить другими способами. К ним относятся интеллектуальные материалы , фолдамеры , самоорганизующиеся молекулы с взаимозамыкающейся архитектурой и новые мягкие материалы . [4] Применение DCC для обнаружения летучих биоактивных соединений, т. е. усиление и восприятие запаха , было предложено в концептуальном документе. [48] Недавно DCC также использовался для изучения абиотического происхождения жизни . [49]
^ Лен, Жан-Мари (2007). «От супрамолекулярной химии к конституционной динамической химии и адаптивной химии». Chem. Soc. Rev. 36 ( 2): 151–160. doi :10.1039/B616752G. ISSN 0306-0012. PMID 17264919.
^ Lehn, Jean-Marie (2011). «Конституционная динамическая химия: мост от супрамолекулярной химии к адаптивной химии». В Barboiu, Mihail (ред.). Конституционная динамическая химия . Темы в Current Chemistry. Том 322. Springer Berlin Heidelberg. стр. 1–32. doi :10.1007/128_2011_256. ISBN978-3-642-28343-7. PMID 22169958.
^ Шауфельбергер, Ф.; Тиммер, Б. Дж. Дж.; Рамстрём, О. Принципы динамической ковалентной химии. В книге « Динамическая ковалентная химия: принципы, реакции и приложения »; Чжан, В.; Цзинь, И., ред.; John Wiley & Sons: Чичестер, 2018; Глава 1, стр. 1–30.
^ Кунц, Хорст (2002-12-02). «Эмиль Фишер — непревзойденный классик, мастер исследований в области органической химии и вдохновенный первопроходец биологической химии». Angewandte Chemie International Edition . 41 (23): 4439–4451. doi :10.1002/1521-3773(20021202)41:23<4439::AID-ANIE4439>3.0.CO;2-6. ISSN 1521-3773. PMID 12458504.
^ Андерсон, Салли; Андерсон, Гарри Л.; Сандерс, Джереми К. М. (1993-09-01). «Расширение роли шаблонов в синтезе». Accounts of Chemical Research . 26 (9): 469–475. doi :10.1021/ar00033a003. ISSN 0001-4842.
^ Хосс, Ральф; Фогтле, Фриц (3 марта 1994 г.). «Синтез шаблонов». Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 33 (4): 375–384. дои : 10.1002/anie.199403751. ISSN 1521-3773.
^ Лен, Жан-Мари (2007-01-30). «От супрамолекулярной химии к конституционной динамической химии и адаптивной химии». Chem. Soc. Rev. 36 ( 2): 151–160. doi :10.1039/b616752g. PMID 17264919.
^ Томпсон, Мейджор К.; Буш, Дэрил Х. (1964-01-01). "Реакции координированных лигандов. VI. Контроль ионов металла в синтезе планарных комплексов никеля(II) с α-дикето-бис-меркаптоиминами". Журнал Американского химического общества . 86 (2): 213–217. doi :10.1021/ja01056a021. ISSN 0002-7863.
^ Томпсон, Майор К.; Буш, Дэрил Х. (1962-05-01). «Реакции координированных лигандов. II. Комплексы никеля(II) некоторых новых тетрадентатных лигандов». Журнал Американского химического общества . 84 (9): 1762–1763. doi :10.1021/ja00868a073. ISSN 0002-7863.
^ Брэди, Пол А.; Бонар-Лоу, Ричард П.; Роуэн, Стюарт Дж.; Саклинг, Кристофер Дж.; Сандерс, Джереми К.М. (январь 1996 г.). «?Живая? макролактонизация: термодинамически контролируемая циклизация и взаимопревращение олигохолатов». Chemical Communications (3): 319–320. doi :10.1039/cc9960000319.
^ abc Грини, МФ; Бхат, ВТ Динамическая комбинаторная химия, направленная на белок. В Динамическая комбинаторная химия: в открытии лекарств, бионеорганической химии и материаловедении ; Миллер, БЛ, ред.; John Wiley & Sons: Нью-Джерси, 2010; Глава 2, стр. 43–82.
^ Хуан, Р.; Леунг, ИКХ (июль 2016 г.). «Динамическая комбинаторная химия, направленная на белки: руководство по обнаружению лигандов и ингибиторов белков». Molecules . 21 (7): 910. doi : 10.3390/molecules21070910 . PMC 6273345 . PMID 27438816.
^ Фрей, П.; Хевей, Р.; Эрнст, Б. (сентябрь 2018 г.). «Динамическая комбинаторная химия: новая методология достигает зрелости». Chem. Eur. J . 25 (1): 60–73. doi :10.1002/chem.201803365. PMID 30204930. S2CID 52188992.
^ Jaegle, M.; Wong, EL; Tauber, C.; Nawrotzky, E.; Arkona, C.; Rademann, J. (январь 2017 г.). «Лигирование фрагментов с использованием шаблонов белков — от молекулярного распознавания до открытия лекарств». Angew. Chem. Int. Ed . 56 (26): 7358–7378. doi :10.1002/anie.201610372. PMC 7159684 . PMID 28117936.
^ Мондал, М.; Хирш, АК (апрель 2015 г.). «Динамическая комбинаторная химия: инструмент для облегчения идентификации ингибиторов для белковых мишеней». Chem. Soc. Rev. 44 ( 8): 2455–2488. doi : 10.1039/c4cs00493k . PMID 25706945.
^ Herrmann, A. (март 2014). «Динамическая комбинаторная/ковалентная химия: инструмент для чтения, создания и модуляции биологической активности соединений и смесей соединений». Chem. Soc. Rev. 43 ( 6): 1899–1933. doi :10.1039/c3cs60336a. PMID 24296754.
^ abc Хохгюртель, М.; Лен, Й.-М. Динамическое комбинаторное разнообразие в открытии лекарств. В Подходы на основе фрагментов в открытии лекарств ; Янке, В., Эрлансон, Д.А., Ред.; Wiley-VCH: Weinheim, 2006; Глава 16, стр. 341–364.
^ abc Leung, IKH; Demetriades, M.; Hardy, AP; Lejeune, C.; Smart, TJ; Szöllössi, A.; Kawamura, A.; Schofield, CJ ; Claridge, TDW (январь 2013 г.). "Скрининг лигандов-репортеров ЯМР для ингибиторов 2OG-оксигеназ". J. Med. Chem . 56 (2): 547–555. doi :10.1021/jm301583m. PMC 4673903 . PMID 23234607.
^ ab Demetriades, M.; Leung, IKH; Chowdhury, R.; Chan, MC; Yeoh, KK; Tian, Y.-M.; Claridge, TDW; Ratcliffe, PJ; Woon, ECY; Schofield, CJ (июль 2012 г.). «Динамическая комбинаторная химия с использованием бороновых кислот/эфиров бороната приводит к мощным ингибиторам оксигеназы». Angew. Chem. Int. Ed . 51 (27): 6672–6675. doi :10.1002/anie.201202000. PMID 22639232.
^ ab Leung, IKH; Brown Jr, T.; Schofield, CJ; Claridge, TDW (май 2011 г.). «Подход к ингибированию ферментов с использованием обратимого образования эфира бороната». Med. Chem. Commun . 2 (5): 390–395. doi :10.1039/C1MD00011J.
^ Расмуссен, Б.; Соренсен, А.; Готфредсен, Х.; Питтельков, М. (февраль 2014 г.). «Динамическая комбинаторная химия с диселенидами и дисульфидами в воде». Chem. Commun . 50 (28): 3716–3718. doi :10.1039/C4CC00523F. PMID 24577496. S2CID 8774608.
^ ab Ramström, O.; Lehn, J.-M. (июль 2000 г.). «In situ генерация и скрининг динамической комбинаторной библиотеки углеводов против конканавалина А». ChemBioChem . 1 (1): 41–48. doi :10.1002/1439-7633(20000703)1:1<41::AID-CBIC41>3.0.CO;2-L. PMID 11828397. S2CID 24024198.
^ ab Liénard, BMR; Selevsek, N.; Oldham, NJ; Schofield, CJ (февраль 2007 г.). «Комбинированный подход масс-спектрометрии и динамической химии для идентификации ингибиторов металлоферментов». ChemMedChem . 2 (2): 175–179. doi :10.1002/cmdc.200600250. PMID 17206734. S2CID 36592352.
^ ab Liénard, BMR; Hüting, R.; Lassaux, P.; Galleni, M.; Frére, J.-M.; Schofield, CJ (февраль 2008 г.). «Динамическая комбинаторная масс-спектрометрия приводит к ингибиторам металло-β-лактамаз». J. Med. Chem . 51 (3): 684–688. doi :10.1021/jm070866g. PMID 18205296.
^ ab Caraballo, R.; Dong, H.; Ribeiro, JP; Jiménez-Barbero, J.; Ramström, O. (январь 2010 г.). «Прямая идентификация ингибиторов β-галактозидазы методом ЯМР STD из виртуальной динамической гемитиоацетальной системы». Angew. Chem. Int. Ed . 49 (3): 589–593. doi :10.1002/anie.200903920. PMID 20013972.
^ ab Clipson, AJ; Bhat, VT; McNae, I.; Caniard, AM; Campopiano, DJ; Greaney, MF (август 2012 г.). «Двухвалентные ингибиторы ферментов, обнаруженные с помощью динамической ковалентной химии» (PDF) . Chem. Eur. J . 18 (34): 10562–10570. doi :10.1002/chem.201201507. hdl : 20.500.11820/a3e3e607-6152-44b2-b74c-c9c6bd90946e . PMID 22782854. S2CID 28796078.
^ ab Hochgürtel, M.; Niesinger, R.; Kroth, H.; Piecha, D.; Hofmann, MW; Krause, S.; Schaaf, O.; Nicolau, C.; Eliseev, AV (январь 2003 г.). «Кетоны как строительные блоки для динамических комбинаторных библиотек: высокоактивные ингибиторы нейраминидазы, полученные с помощью селективного давления биологической цели». J. Med. Chem . 46 (3): 356–358. doi :10.1021/jm025589m. PMID 12540234.
^ ab Синделар, М.; Лутц, ТА; Петрера, М.; Ваннер, КТ (февраль 2013 г.). «Фокусированные псевдостатические библиотеки гидразона, проверенные методом масс-спектрометрического связывания: оптимизация сродства к переносчику γ-аминомасляной кислоты 1». J. Med. Chem . 56 (3): 1323–1340. doi :10.1021/jm301800j. PMID 23336362.
^ Yang, Z.; Fang, Z.; He, W.; Wang, Z.; Gang, H.; Tian, Q.; Guo, K. (апрель 2016 г.). «Идентификация ингибиторов рецептора фактора роста эндотелия сосудов с использованием динамической комбинаторной химии». Bioorg. Med. Chem. Lett . 26 (7): 1671–1674. doi :10.1016/j.bmcl.2016.02.063. PMID 26920800.
^ ab Zameo, S.; Vauzeilles, B.; Beau, J.-M. (декабрь 2006 г.). «Прямой анализ состава динамической библиотеки иминов в водной среде». Eur. J. Org. Chem . 2006 (24): 5441–5444. doi :10.1002/ejoc.200600859.
^ Herrmann, A. (август 2009 г.). «Динамические смеси и комбинаторные библиотеки: имины как зонды для молекулярной эволюции на стыке химии и биологии». Org. Biomol. Chem . 7 (16): 3195–3204. doi :10.1039/B908098H. PMID 19641772.
^ Ши, Б.; Стивенсон, Р.; Кампопиано, DJ; Грини, MF (июль 2006 г.). «Открытие ингибиторов глутатион-S-трансферазы с использованием динамической комбинаторной химии». J. Am. Chem. Soc . 128 (26): 8459–8467. doi :10.1021/ja058049y. PMID 16802811.
^ Boul, PJ; Reutenauer, P.; Lehn, J.-M. (январь 2005 г.). «Обратимые реакции Дильса-Альдера для генерации динамических комбинаторных библиотек». Org. Lett . 7 (1): 15–18. doi :10.1021/ol048065k. PMID 15624966.
^ Poulsen, S.-A. ; Bornaghi, LF (май 2006 г.). «Фрагментное открытие лекарств ингибиторов карбоангидразы II с помощью динамической комбинаторной химии с использованием перекрестного метатезиса алкенов». Bioorg. Med. Chem . 14 (10): 3275–3284. doi : 10.1016/j.bmc.2005.12.054. hdl : 10072/14469 . PMID 16431113.
^ Сакаи, С.; Сигемаса, Ю.; Сасаки, Т. (ноябрь 1997 г.). «Саморегулирующийся углеводный лиганд для лектинов, специфичных для GalNAc». Тетраэдр Летт . 38 (47): 8145–8148. дои : 10.1016/S0040-4039(97)10187-3.
^ Сакаи, С.; Шигемаса, И.; Сасаки, Т. (1999). «Сборка трехвалентных кластеров GalNAc с помощью железа(II) и их взаимодействие с лектинами, специфичными для GalNAc». Bull. Chem. Soc. Jpn . 72 (6): 1313–1319. doi :10.1246/bcsj.72.1313.
^ Kilpin, KJ; Dyson, PJ (февраль 2013 г.). «Ингибирование ферментов металлическими комплексами: концепции, стратегии и применение». Chem. Sci . 4 (4): 1410–1419. doi : 10.1039/C3SC22349C .
^ Swann, PG; Casanova, RA; Desai, A.; Frauenhoff, MM; Urbancic, M.; Slomczynska, U.; Hopfinger, AJ; Le Breton, GC; Venton, DL (1996). "Неспецифический гидролиз/синтез смеси пептидов, катализируемый протеазой: разнообразие продуктов и амплификация лигандов молекулярной ловушкой". Biopolymers . 40 (6): 617–625. doi :10.1002/(sici)1097-0282(1996)40:6<617::aid-bip3>3.0.co;2-z. PMID 9140201. S2CID 24603197.
^ Lins, RJ; Flitsch, SL; Turner, NJ; Irving, E.; Brown, SA (сентябрь 2002 г.). «Ферментативное образование и in situ скрининг динамической комбинаторной библиотеки аналогов сиаловой кислоты». Angew. Chem. Int. Ed . 41 (18): 3405–3407. doi :10.1002/1521-3773(20020916)41:18<3405::AID-ANIE3405>3.0.CO;2-P. PMID 12298046.
^ Линс, Р. Дж.; Флитч, С. Л.; Тернер, Н. Дж.; Ирвинг, Э.; Браун, С. А. (январь 2004 г.). «Создание динамической комбинаторной библиотеки с использованием альдолазы сиаловой кислоты и скрининга in situ против агглютинина зародыша пшеницы». Tetrahedron . 60 (3): 771–780. doi :10.1016/j.tet.2003.11.062.
^ Валад, А.; Урбан, Д.; Бо, Ж.-М. (янв.–февр. 2007 г.). «Выбор двух галатозилтрансфераз из различных связующих веществ из одной и той же динамической комбинаторной библиотеки на основе уридина». J. Comb. Chem . 9 (1): 1–4. doi :10.1021/cc060033w. PMID 17206823.
^ Das, M.; Tianming, Y.; Jinghua, D.; Prasetya, F.; Yiming, X.; Wong, K.; Cheong, A.; Woon, ECY (июнь 2018 г.). «Мультибелковая динамическая комбинаторная химия: новая стратегия, которая приводит к одновременному открытию селективных ингибиторов подсемейства для деметилаз нуклеиновых кислот FTO и ALKBH3». Chem. Asian J . 13 (19): 2854–2867. doi :10.1002/asia.201800729. PMID 29917331. S2CID 49291870.
^ Herrmann, A. (июль 2012 г.). «Динамические смеси: проблемы и возможности для усиления и восприятия запахов». Chem. Eur. J . 18 (28): 8568–8577. doi :10.1002/chem.201200668. PMID 22588709.
^ Чандру, Кухан; Гуттенберг, Николас; Гири, Чайтанья; Хонго, Яёи; Бутч, Кристофер; Мамаджанов, Ирена; Кливз, Х. Джеймс (31 мая 2018 г.). "Простой пребиотический синтез динамических комбинаторных полиэфирных библиотек с высоким разнообразием". Химия коммуникаций . 1 (1). doi : 10.1038/s42004-018-0031-1 . ISSN 2399-3669.
Внешние ссылки
Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл: Центр динамической комбинаторной химии [ необходима ссылка ]
Кембриджский университет: Динамическая комбинаторная химия