Polimer sterowany sekwencyjnie - Sequence-controlled polymer
Polimer sekwencji sterowany jest makrocząsteczki , w którym sekwencja monomerów jest kontrolowane do pewnego stopnia. Ta kontrola może być bezwzględna, ale niekoniecznie. Innymi słowy, polimer o kontrolowanej sekwencji może być jednorodny (jego dyspersja Ð jest równa 1) lub niejednorodny (Ð>1). Na przykład naprzemienny kopolimer syntetyzowany przez polimeryzację rodnikową jest polimerem o kontrolowanej sekwencji, nawet jeśli jest to również polimer niejednorodny, w którym łańcuchy mają różne długości łańcuchów i nieco inny skład. Biopolimer (na przykład białka ) o idealnie określonej struktury pierwotnej jest polimer sekwencji kontrolowane. Jednak w przypadku jednorodnych makrocząsteczek można również użyć terminu polimer o zdefiniowanej sekwencji .
W porównaniu z tradycyjnymi polimerami , skład polimerów o kontrolowanej sekwencji może być precyzyjnie określony za pomocą chemicznych metod syntezy, takich jak reakcje wieloskładnikowe, reakcje typu click itp. Taki dostrajalny sposób polimeryzacji nadaje polimerom o kontrolowanej sekwencji określone właściwości, a tym samym polimerom o kontrolowanej sekwencji Opracowywane są aplikacje oparte na (np. przechowywanie informacji, biomateriały , nanomateriały itp.).
W naturze DNA , RNA , białka i inne makrocząsteczki można również rozpoznać jako polimery o kontrolowanej sekwencji ze względu na ich dobrze uporządkowane szkielety strukturalne. DNA, oparte na parach zasad AT, CG, tworzą dobrze dopasowane sekwencje. Dzięki precyzyjnym sekwencjom DNA, 20 aminokwasów jest w stanie generować sekwencyjne łańcuchy peptydowe o trójwymiarowych strukturach dzięki procesowi transkrypcji i translacji . Te uporządkowane sekwencje różnych składników nadają organizmom skomplikowane i różnorodne funkcje.
Metody syntetyczne
Tradycyjne polimery zazwyczaj składają się z jednej lub kilku powtarzających się jednostek, ułożonych w losowe sekwencje. Polimery o kontrolowanej sekwencji składają się z różnych powtarzających się jednostek, które są ułożone w uporządkowany sposób. W celu kontrolowania sekwencji opracowywane są różnego rodzaju metodologie syntetyczne.
Polimeryzacja biologiczna kontrolowana sekwencyjnie
DNA, RNA i białka są najpowszechniejszymi polimerami o kontrolowanej sekwencji u żywych stworzeń. Zainspirowane nimi, opracowywane są metody polimeryzacji, wykorzystujące DNA lub RNA jako matryce do kontroli sekwencji polimeru. Na początku, biorąc DNA lub RNA jako matryce, naukowcy opracowali serię polimerów opartych na kwasie peptydonukleinowym (PNA), bez użycia polimeraz DNA . Ale ta metoda jest ograniczona do skali polimeryzacji i wydajności. Następnie opracowywana jest reakcja łańcuchowa polimerazy (PCR), która obecnie jest nadal najszerzej stosowaną metodą regulowaną sekwencyjnie. Dzięki zastosowaniu enzymów wydajność i skala są znacznie zwiększone, ale specyficzność enzymów w stosunku do naturalnych peptydów w pewnym stopniu ogranicza tę technikę. Obecnie więcej uwagi poświęca się wykorzystaniu rybosomów do bezpośredniego naśladowania procesu transkrypcji i translacji. Technologia ta, zwana inżynierią białkową, jest uważana za najbardziej obiecującą metodę polimeryzacji biologicznej do syntezy polimerów o kontrolowanej sekwencji.
Sekwencyjne polimeryzacje chemiczne
Oprócz metod polimeryzacji biologicznej naukowcy opracowali również liczne metody syntezy chemicznej polimerów o kontrolowanej sekwencji. W porównaniu z polimeryzacją biologiczną, polimeryzacja chemiczna może zapewnić lepszą różnorodność, ale większość metod chemicznych nie może zapewnić wydajności i specyficzności metod biologicznych.
Synteza w fazie stałej
Jedną z metod polimeryzacji chemicznej jest synteza w fazie stałej, która może być wykorzystana do syntezy peptydów składających się z naturalnych i nienaturalnych aminokwasów. W tej metodzie monomery są przyłączane do łańcucha polimeru poprzez amidację pomiędzy grupą karbonylową a grupą aminową. W celu kontroli sekwencji, grupy aminowe są zwykle chronione przez grupę 9-fluorenylometyloksykarbonylową ( Fmoc ) i t-butyloksykarbonylową (Boc), które można usunąć odpowiednio w środowisku zasadowym i kwasowym, aby uczestniczyć w wydłużaniu łańcucha następnej rundy.
Sterowana sekwencyjnie polimeryzacja rodnikowa
Polimeryzacja rodnikowa jest jedną z najczęściej stosowanych metod polimeryzacji. Około 50% dostępnych w handlu polimerów jest syntetyzowanych przez polimeryzację rodnikową. Jednak wady tego sposobu są oczywiste, że sekwencje i cechy polimeryczne nie mogą być dobrze modulowane. Aby przezwyciężyć te ograniczenia, naukowcy zoptymalizowali zastosowane protokoły. Pierwszym zgłoszonym przykładem było kontrolowane w czasie sekwencyjne dodawanie wysoce reaktywnych N-podstawionych maleimidów w polimeryzacji rodnikowej styrenu z przeniesieniem atomu , co doprowadziło do zaprogramowanych sekwencji monomerów funkcjonalnych. Doniesiono również o rozwoju addycji pojedynczych cząsteczek w polimeryzacji rodnikowej z przeniesieniem atomu (ATRP), która poprawia kontrolę sekwencji polimeryzacji rodnikowej. Inne rozwiązania obejmują zastosowanie pośrednich etapów oczyszczania w celu wyizolowania pożądanej sekwencji oligomerów pomiędzy kolejnymi odwracalnymi polimeryzacjami z przeniesieniem łańcucha addycja-fragmentacja (RAFT-polimerizations). Udowodniono, że pod tym względem skuteczne są zarówno chromatografia kolumnowa typu flash, jak i chromatografia z wykluczeniem wielkości z zawracaniem. Wstawianie pojedynczych jednostek monomeru RAFT (SUMI) zostało niedawno opracowane jako nowa technologia precyzyjnej kontroli sekwencji monomerów.
Nierodnikowa polimeryzacja kontrolowana sekwencyjnie
W przypadku nieodłącznych niedoborów polimeryzacji rodnikowej w przypadku polimerów sterowanych sekwencyjnie opracowywane są również inne polimeryzacje nierodnikowe. W ramach tych nieradykalnych metod, między innymi cykloaddycji azydkowo-alkinowej (znanej również jako reakcja klikania), metatezy olefin wykorzystuje się między innymi do konstruowania polimerów o kontrolowanej sekwencji. W zależności od tych konkretnych reakcji chemicznych, monomery są dokładnie dodawane do łańcucha polimerowego, a uporządkowany łańcuch jest tworzony stopniowo. Tymczasem, stosując wiele reakcji chemicznych, chemicy opracowali również reakcje wieloskładnikowe, które przyspieszają budowę szkieletów polimerowych, a także zwiększają różnorodność. Oprócz tego istniała grupa badawcza opracowująca maszynę cząsteczkową, która z powodzeniem osiąga sterowaną sekwencyjnie polimeryzację oligopeptydów .
Metodologia w kierunku poprawy kontroli sekwencji
Najważniejszą cechą polimerów sterowanych sekwencyjnie jest kontrolowana sekwencja szkieletu polimerowego. Niemniej jednak, realizacja precyzyjnej kontroli sekwencji i regulacja sekwencji w większych szkieletach polimerowych jest również najpilniejszą kwestią, którą należy się zająć w dziedzinie polimerów o kontrolowanej sekwencji. Włożono wiele wysiłku w rozwój i optymalizację metod w celu poprawy właściwości kontroli sekwencji obecnie istniejących metod syntetycznych, a także w celu dalszego rozwoju zupełnie nowych metod o lepszej wydajności syntezy i kontroli sekwencji.
Wykorzystanie szablonów
Jedną z najważniejszych cech biosyntezy sterowanej sekwencjami w porównaniu z innymi metodami syntezy chemicznej jest to, że biomolekuły (w tym DNA i RNA) mogą inicjować polimeryzację przy użyciu wysoce zaprogramowanych szablonów. Stąd metody biosyntetyczne, takie jak PCR , są nadal uważane za jeden z najbardziej przekonujących sposobów opracowywania polimerów o kontrolowanej sekwencji.
Regulacja reaktywności monomeru
Modulowanie reaktywności pomiędzy monomerem a rosnącym łańcuchem polimerowym jest innym podejściem do poprawy kontroli sekwencji. Uzasadnieniem dla tego sposobu jest to, że monomer musi być aktywowany za pomocą pierwszego katalizatora na początku jako indywiduum uśpione, które mogą następnie uczestniczyć w polimeryzacji po wprowadzeniu drugiego katalizatora. Prawdziwy Przykładem jest wykorzystanie HI jako pierwszego katalizatora i zní 2 jako drugi katalizator uzyskania sekwencji kontrolowanej polimeryzacji eterów winylowych i styrenu, pochodnych.
Wstawianie zorientowane na rozpoznanie
W tym podejściu oferowane jest miejsce rozpoznawania na polimerze, aby niekowalencyjnie zakotwiczyć monomer w łańcuchu polimeru, który może następnie przejść przez insercję chemiczną do szkieletu polimeru. Jeden udany przykład pokazuje, że kwas metakrylowy (monomer) może być radykalnie włączony do szkieletu zawierającego rozpoznawalne miejsce kationowe ( protonian d pierwszorzędowej aminy bocznej). Kierując się tą specyficzną dla miejsca reakcją, polimeryzację kontrolowaną przez sekwencję można osiągnąć przy użyciu szablonu ozdobionego różnymi rozpoznawalnymi zawieszkami.
Właściwości i aplikacje
Najbardziej wyróżniającą się cechą polimerów kontrolowanych sekwencyjnie są dobrze uporządkowane łańcuchy złożone z różnych powtarzających się jednostek. Dzięki kodowaniu powtarzających się jednostek, odpowiednio zsyntetyzowany polimer o kontrolowanej sekwencji może być wykorzystany do przechowywania danych. Aby zmodyfikować monomer za pomocą niektórych bioaktywnych ugrupowań, otrzymany polimer o kontrolowanej sekwencji jest w stanie leczyć choroby. Właściwość sterowania sekwencyjnego sprawia, że polimery sterowane sekwencyjnie są idealną platformą do instalowania różnego rodzaju zawieszeń (takich jak leki , katalizatory ), dzięki czemu można realizować różnorodne funkcje i zastosowania.