Nguồn: Molecules 2013, 18, 4373-4388; doi:10.3390/molecules18044373
Tác giả: Saranya Chandrudu, Pavla Simerska và Istvan Toth
Bối cảnh lịch sử
Lĩnh vực tổng hợp peptide bằng phương pháp hóa học đã có lịch sử hơn 100 năm, bắt đầu từ việc Emil Fischer tổng hợp dipeptide glycylglycine vào năm 1901. Bước đột phá lớn xảy ra vào năm 1963 khi Robert Bruce Merrifield phát minh ra phương pháp tổng hợp peptide trên pha rắn (Solid Phase Peptide Synthesis – SPPS), cho phép tổng hợp các chuỗi peptide một cách có hệ thống bằng cách gắn amino acid đầu tiên lên một chất mang rắn và lần lượt thêm các amino acid tiếp theo.
Tuy nhiên, SPPS ban đầu có nhiều hạn chế như phản ứng ghép đôi và khử bảo vệ không hoàn toàn, tích tụ sản phẩm phụ và chuỗi peptide đang phát triển. Việc tổng hợp các protein (thường dài ~250 amino acid) bằng SPPS thuần túy là không khả thi. Để khắc phục, nhiều kỹ thuật bảo vệ nhóm chức mới đã được phát triển, nổi bật là nhóm bảo vệ Boc (tert-butyloxycarbonyl) và Fmoc (fluorenylmethoxycarbonyl), cùng các loại resin (nhựa mang rắn) khác nhau như Wang resin, Rink resin.
Các phương pháp hóa học để tổng hợp peptide
Hai kỹ thuật hóa học chính được sử dụng trong tổng hợp peptide là tổng hợp pha rắn (SPPS – Solid Phase Peptide Synthesis) và tổng hợp pha dung dịch (SPS – Solution Phase Synthesis).
Phương pháp SPS cổ điển dựa trên phản ứng ghép nối từng amino acid đơn lẻ trong dung dịch. Đối với việc tổng hợp các peptide có chuỗi dài, phương pháp ngưng tụ mảnh (fragment condensation) thường được áp dụng, trong đó các đoạn peptide ngắn được tổng hợp riêng lẻ trước, sau đó ghép nối với nhau để tạo thành peptide có chiều dài mong muốn. Ưu điểm nổi bật của SPS là các sản phẩm trung gian có thể được khử nhóm bảo vệ và tinh chế, giúp thu được peptide cuối cùng với độ tinh khiết cao.
Một số ví dụ tiêu biểu về các hormone peptid được tổng hợp bằng phương pháp SPS gồm:
- Oxytocin – một nonapeptid có vai trò điều hòa thần kinh và quan trọng trong hoạt động sinh sản;
- Porcine gastrin releasing peptide – hormone kích thích tiết acid dạ dày;
- Insulin người – hormone peptide gồm 51 amino acid, có chức năng điều hòa chuyển hóa carbohydrate trong cơ thể.
Mặc dù SPS có thể được mở rộng quy mô sản xuất một cách tương đối đơn giản và tiết kiệm chi phí, nhưng thời gian phản ứng kéo dài vẫn là một nhược điểm đáng kể của phương pháp này.
Trong phương pháp SPPS , resin (nhựa mang rắn) được sử dụng như một giá đỡ để xâu chuỗi peptide đang hình thành. Amino acid đầu tiên được gắn vào nhựa thông qua nhóm C-terminal, trong khi các nhóm chức năng có khả năng phản ứng, bao gồm nhóm alpha-amino và các nhóm bên (side chain), được bảo vệ tạm thời bằng các nhóm bảo vệ nhằm ngăn ngừa phản ứng trùng hợp không mong muốn. Sau mỗi lần gắn thêm một amino acid mới, nhóm bảo vệ được loại bỏ và nhựa được rửa sạch trước khi tiếp tục chu kỳ tổng hợp. Quá trình này được lặp lại cho đến khi hoàn thiện toàn bộ chuỗi peptide, sau đó peptide được tách ra khỏi nhựa mang rắn.
Các nhóm bảo vệ phổ biến được sử dụng trong SPPS gồm Boc (tert-butyloxycarbonyl) và Fmoc (fluorenylmethyloxycarbonyl), các nhóm này được loại bỏ bằng acid trifluoroacetic (TFA) hoặc dung dịch piperidine 20% trong dimethylformamide (DMF). Nhiều loại nhựa khác nhau được sử dụng làm giá thể rắn trong SPPS, ví dụ: polystyrene, Merrifield, hydroxymethyl, phenylacetamidomethyl, Wang và 4-methylbenzhydrylamine resin.
Phương pháp SPPS đã được cải tiến đáng kể nhờ sự phát triển của SPPS có hỗ trợ vi sóng (microwave-assisted SPPS), đặc biệt hữu ích trong tổng hợp các chuỗi peptide dài. Việc chiếu xạ vi sóng giúp rút ngắn thời gian tổng hợp, tăng hiệu suất phản ứng, đồng thời giảm mức độ racem hóa. Khi sử dụng SPPS có hỗ trợ vi sóng thay vì SPPS truyền thống, thời gian tổng hợp peptide được rút ngắn đáng kể, trong khi vẫn kiểm soát được nhiệt độ và áp suất trong suốt quá trình phản ứng. Bên cạnh các ưu điểm, nhược điểm chính của phương pháp này là giá thành của thiết bị và resin (nhựa mang rắn).
Kết luận
Tổng hợp peptide đóng vai trò then chốt trong nghiên cứu và phát triển các hoạt chất sinh học, đặc biệt trong lĩnh vực Dược học, Hóa dược và Công nghệ sinh học. Hai phương pháp chính: tổng hợp pha dung dịch (SPS- Solution Phase Synthesis) và tổng hợp pha rắn (SPPS – Solid Phase Peptide Synthesis) – đều mang lại những ưu điểm và hạn chế riêng. SPS cho phép tinh chế sản phẩm trung gian và thu được peptide có độ tinh khiết cao, phù hợp cho các peptide ngắn hoặc trung bình. Ngược lại, SPPS vượt trội về tính tự động hóa, hiệu suất và khả năng tổng hợp các chuỗi peptide dài, trở thành phương pháp phổ biến hiện nay.
Đặc biệt, SPPS có hỗ trợ vi sóng đã mở ra hướng phát triển mới trong tổng hợp peptide, giúp rút ngắn thời gian phản ứng, giảm racem hóa, nâng cao hiệu suất và kiểm soát tốt điều kiện phản ứng. Tuy nhiên, chi phí nhựa và thiết bị vẫn là yếu tố cần được tối ưu để tăng tính ứng dụng trong quy mô công nghiệp.
Nhìn chung, sự cải tiến liên tục trong kỹ thuật tổng hợp peptide – từ phương pháp cổ điển đến công nghệ hỗ trợ vi sóng – đã và đang góp phần quan trọng vào sản xuất peptide dược phẩm, hormone và các hoạt chất sinh học, mở rộng tiềm năng ứng dụng trong nghiên cứu, chẩn đoán và điều trị bệnh.
