Kombinatorne strategije razvoja fluorescentnih proba Sveu¤†ili¥Œte u Zagrebu Prirodoslovno matemati¤†ki

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Kombinatorne strategije razvoja fluorescentnih proba Sveu¤†ili¥Œte u Zagrebu...

  • Sveučilište u Zagrebu

    Prirodoslovno matematički fakultet

    Doktorski studij kemije

    Kombinatorne strategije razvoja fluorescentnih

    proba

    4.10.2017.

    Moris Mihovilović

  • Sadržaj

    1. Uvod .................................................................................................................................... 3

    2. Baze senzora zasnovanih na meti........................................................................................ 4

    2.1. Probe za metale ............................................................................................................ 4

    2.1.1. Baze nukleinskih kiselina ..................................................................................... 4

    2.1.2. Baze peptida ......................................................................................................... 5

    2.1.3. Baze malih molekula ............................................................................................ 6

    2.1.4. Baze polimera ....................................................................................................... 7

    2.2. Baze fluorescentnih senzora za saharide ..................................................................... 8

    2.3. Baze fluorescentnih senzora za ATP i peptide ............................................................ 9

    2.4. Baze fluorescentnih senzora za hlapljive analite ....................................................... 10

    3. Baze senzora zasnovane na raznolikosti ........................................................................... 10

    3.1. Kombinatorna derivatizacija poznatih fluorescentnih okosnica ................................ 11

    3.1.1. Paladijem-katalizirani coupling .......................................................................... 11

    3.1.2. Huisgenova 1,3-dipolarna cikloadicija ............................................................... 12

    3.1.3. Knoevenagel kondenzacija, stvaranje amida i nukleofilna supstitucija ............. 13

    3.2. De novo konstrukcija fluorescentnih okosnica .......................................................... 14

    3.3. Kruto-fazne baze fluorescentnih senzora temeljena na raznolikosti ......................... 14

    3.3.1. Baze malih molekula .......................................................................................... 15

    3.3.2. Baze peptida i nukleinskih kiselina .................................................................... 15

    4. Trendovi i perspektive ...................................................................................................... 17

    4.1. Izazov identifikacije mete .......................................................................................... 17

    4.2. Dizajn novih kemijskih arhitektura ........................................................................... 17

    4.2.1. Višebojne i višemodalne probe .......................................................................... 17

    4.2.2. Dinamičke kombinatorne baze senzora .............................................................. 18

    5. Zaključci ........................................................................................................................... 18

    6. Literatura ........................................................................................................................... 20

  • 3

    1. Uvod

    Potreba za razumijevanjem osnovnih događaja prepoznavanja u kemiji i biologiji je

    usmjerila značajan trud prema razvoju kemijskih probi. Fluorescentne probe su privlačni i

    svestrani alati za analitičke senzore zbog svoje visoke osjetljivosti, brzog odziva i tehničke

    jednostavnosti. Međutim, mehanizmi koji reguliraju njihovu interakciju s metama često su

    slabo poznati, stoga je sposobnost predviđanja strukturnih potreba i dizajna novih

    fluorescentnih senzora korištenjem računalnih izračuna ograničena.

    Kombinatorni pristupi, prvo korišteni u području pronalaska lijekova pri sintezi velikog

    broja strukturno sličnih kandidata, nedavno su poboljšali pripravu i optimizaciju

    fluorescentnih probi, posebice u slučaju kompleksnih znanstvenih problema koji ostaju

    nedefinirani na razini molekulskog prepoznavanja. Kombinatorne strategije postale su

    alternativa racionalnom dizajnu i proširile opseg fluorescentnih senzora na mete koje

    prethodno nisu bile dostupne (stanični fenotipovi, makrostrukture i sl.)

    Nekoliko revijalnih radova opisalo je efikasnost fluorescentnih proba za razne primjene

    (unutarstanični pH indikatori, senzori za reaktivne kisikove i dušikove specije, senzori za

    metale, dijagnostički alati) i mehanizme, kao i njihovu sintezu iz određenih kemijskih

    struktura (peptidi, aptameri, biomolekulski građevni blokovi, senzorski materijali, DNA-

    multikromofori). Jedno od najbrže rastućih područja je upotreba kombinatorne kemije na

    fluorescentnim okosnicama te brzi automatizirani screening čijom kombinacijom dolazi do

    otkrića velikog broja potencijalnih senzora. 1

  • 4

    2. Baze senzora zasnovanih na meti

    Konvencionalni rad priprave baze fluorescentnih proba baziranih na meti započinje

    odabirom analita koji će biti meta. Sljedeći korak je pretraga receptora i elemenata na koji bi

    se proba trebala vezati i njihov odnos sa odašiljačima koji provode signal. Takav se signal

    može manifestirati različitim mehanizmima kao što su fluorescentno quenchanje, transfer

    fluorescentne rezonantne energije, fluorescentna anizotropija, fotoinducirani transfer

    elektrona, kelacijom pojačana fluorescencija, osjetljivost na okolinu, metal-bazirana

    fluorescencija i drugi. Receptor pojedinog analita može biti unaprijed poznat pa je zadatak

    strategije razvoja probe optimirati odašiljač ili mehanizam prijenosa informacije. Češći je

    slučaj da receptor reagira na čitavu klasu analita pa se baze senzora grade s ciljem poboljšanja

    receptora koji selektivno veže analit od interesa. Kombinatorne strategije mogu nadvladati

    ograničenja racionalnog dizajna kad je malo informacija o molekularnom prepoznavanju

    dostupno. Mnoge fluorescentne probe razvijene su iz baza senzora baziranim na metama, a u

    sljedećim poglavljima biti će svrstane u grupama prema molekulskoj strukturi. 1

    2.1. Probe za metale

    2.1.1. Baze nukleinskih kiselina

    Probe za metale su od dugotrajnog interesa zbog njihove biološke i ekološke važnosti.

    Potencijal kombinatornih strategija dobro se može prikazati primjenom nukleinskih kiselina

    zbog njihove iznimne modulacije, kompatibilnosti sa PCR (polimerazna lančana reakcija)

    metodom i automatizirane sinteze koja je dovela do vrlo brojnih baza nukleinskih kiselina, do

    10 14

    u broju specija. 1

    Jedan od takvih senzora je katalitički senzor za olovo razvijen je baziran na prvom DNA

    enzimu u području (slika 1). Takav je senzor mnogo selektivniji za metalne ione, oko 40000

    puta od prethodno objavljenih senzora za Pb 2+

    ione koji su također bazirani na DNA

    enzimima. 2

  • 5

    Slika 1. DNA enzim za selektivno vezivanje Pb 2+

    kationa

    Takav je pristup korištenja DNA enzima primijenjen i na metalne katione Ca 2+

    i Zn 2+

    .

    Glavni izazov tog područja je pronaći senzor spozoban za specifično i snažno vezanje metala.

    Prednost kombinatorne strategije očitala se u korištenju tehnike in vitro odabira koja je

    olakšala nalaženje katalitičke DNA koja može vezati željeni metalni ion specifično i snažno.

    Nova strategija dala je usavršene rezultate, a riječ je o „negativnom odabiru“ pomoću koje se

    odbacuje DNA koja veže metale koji su u kompeticiji za vezanje traženog analita.

    Označavanjem probrane katalitičke DNA parom fluorofor/quencher, pronađena je nova klasa

    DNA biosenzora za metalne ione. 3

    2.1.2. Baze peptida

    Porast broja peptidnih senzora također se može pripisati mogućnosti modificiranja

    strukture i automatizaciji njihove sinteze. Peptidi i proteini sastavljeni su od velikog broja

    aminokiselina stoga su njihove baze podosta velike i često uz veću raznolikost nego što je

    slučaj kod nukelinskih kiselina. 1

    Jedan od primjera peptidnih senzora su peptidi koji imaju uklopljen fluorofor 8-hidroksi-

    5-(N,N-dimetilsulfonamido)-2-metilkinolin u svoju strukturu za mogućnost in vitro

    dijagnostiku Zn 2+

    iona (slika 2). Kvantna iskorištenja takvih derivata mnogo su bolja od

    sličnih kinolinskih proba objavljenih u literaturi. Afiniteti takvih jednostavnih specija prema

    cinku čine ih korisnim probama staničnih zbivanja povezanima s visokim razinama cinka.

    Spomenuti derivati su dobri kandidati za kasniju inkorporaciju u dizajne senzora sa

    proširenim superstrukturama za osjetljivu i selektivnu detekciju cinka u biološke i ekološke

    svrhe. 4

  • 6

    Slika 2. Poznati fluorofor za Zn + koji je korišten u kombinaciji s peptidima

    2.1.3. Baze malih molekula

    Smanjena kompleksnost i veličina malih molekula često su najveće prednosti njihovog

    korištenja kao proba. Vrlo su korisne kao in vivo flu

Recommended

View more >