КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 24-23-00377
НазваниеРациональный дизайн циклоалкиновых клик-реагентов
РуководительДанилкина Наталья Александровна, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2024 г. - 2025 г. |
Конкурс№89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-101 - Синтез, строение и реакционная способность органических соединений
Ключевые словаЦиклоалкины, циклооктины, клик-реакции; азид-алкиновое циклоприсоединение, промотируемое напряжением (SPAAC); азиды, диполи, диполярофилы, гетероциклы; циклы среднего размера; циклизации; реакция Николаса; реакция Соногаширы, биоортогональная химия, конъюгация, akejhtcwtywbz
Код ГРНТИ31.21.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Биоортогональная химия — это уникальный инструмент, лежащий на стыке химии и биологии, который позволяет модифицировать биомолекулы в мягких условиях, как вне, так и внутри живых клеток и организмов. Взаимодействие циклических алкинов с азидами, приводящее к триазолам – азид-алкиновое циклоприсоединение, промотируемое напряжением (SPAAC) – является одной из наиболее часто используемых биоортогональных реакций. Поэтому в химическом и биологическом сообществе существует острая потребность в доступных, стабильных, активных циклоалкиновых реагентах, несущих различные функции для конкретного использования (флуоресцентные метки, дополнительные группы для биоконъюгации, биологически активные вещества).
Коммерчески доступные циклоалкиновые клик-реагенты представлены сегодня тремя скаффолдами (DBCO, BCN, OCT). К их недостаткам относятся высокая цена, ограниченный набор функциональных производных, не всегда оптимальный гидрофильно-липофильный баланс и, зачастую, невысокая стабильность. Самостоятельный синтез аналогов этих реагентов с нужными свойствами сложен, многостадиен, а введение конкретных функциональных групп не всегда описано в литературе.
Поэтому разработка новых, стабильных, реакционноспособных в SPAAC циклоалкиновых реагентов, обладающих такими дополнительными преимуществами перед коммерческими препаратами, как синтетическая доступность, возможность легче и шире проводить функционализацию, настраиваемая стабильность и скорость SPAAC, является актуальной проблемой, на решение которой направлен данный проект.
Для создания новых клик-реагентов нами будет использован рациональный дизайн структур на базе гетероциклононинов, конденсированных с гетероциклами, разработанных в нашей группе (JACS 2021, 16519). Основная идея дизайна ‒ достижение оптимального баланса между стабильностью циклоалкинов и их реакционной способностью в SPAAC. Стратегия рационального дизайна заключается в варьировании природы гетероцикла, гетероатома, а также числа гетероатомов, оказывающих активирующее влияние на кинетику SPAAC.
Предварительная оценка баланса стабильность/активность в SPAAC и выбор целевых структур для синтеза будет осуществляться на основании данных квантово-химических расчетов. Синтез всех структур будет основан на реакции Николаса. Этот синтетический метод может быть использован для различных нуклеофильных функций и, в то же время, позволят проводить циклизацию в присутствии многих функциональных групп. Кроме этого, реакция Николаса приводит к циклоалкинам в виде стабильных Co2(CO)6-комплексов, которые могут быть функционализированы при помощи реакций, несовместимых со свободными тройными связями.
Чтобы новые циклоалкины можно было использовать в качестве реагентов для биоортогональной биоконъюгации в их структурах должны присутствовать функциональные группы для последующей модификации флуоресцентными красителями. Поэтому для структур с наилучшим балансом стабильность/активность будут отработаны методики введения функциональных групп и методы их модификации флуорофорами. Функционализация будет проводиться за счет введения изотиоцианатной группы для свободных циклоалкинов и терминальной тройной связи для Со-комплексов. Функционализированные циклоалкины будут модифицированы при помощи флуоресцентных амино- и азидокрасителей. В качестве альтернативного подхода будет разработана модификация целевых циклоалкинов малыми флуорофорными фрагментами на начальных этапах синтеза.
Финальная задача проекта ‒ демонстрация возможности использования новых флуоресцентных циклоалкиновых реагентов для визуализации метаболически меченых клеток.
Таким образом, данный проект является комплексным исследованием, направленным как на разработку практически важных новых клик-реагентов, которые будут востребованы научным сообществом, так и на решение фундаментальных задач органической химии по установлению взаимосвязи между строением, стабильностью и реакционной способностью циклических алкинов.
Ожидаемые результаты
Проект является комплексным исследованием, направленным на создание новых циклоалкиновых реагентов с использованием подхода рационального дизайна для поиска неописанных ранее стабильных циклоалкиновых структур, активных в SPAAC, а также на разработку подходов по их модификации и функционализации. Поэтому ключевым результатом проекта будет создание новых циклоалкиновых реагентов для биоортогональных клик-реакций, которые по своим свойствам не будут уступать, а, возможно, и превзойдут коммерчески доступные препараты. Полученные новые циклоалкиновые реагенты будут востребованы химиками и биологами для решения комплексных задач, базирующихся на использовании биоортогональных реакций.
В ходе работы над проектом будут получены следующие конкретные результаты:
Будет разработан общий синтетический подход для получения нескольких новых групп циклоалкиновых скаффолдов, содержащих гетероатом в циклоалкине (азот, кислород, сульфаматный фрагмент) и аннелированный цикл (бензотиофен, триазол, бензол). Правильный подбор обозначенных фрагментов позволит найти структуры с оптимальным балансом между реакционной способностью в SPAAC и стабильностью.
Сочетание экспериментальных данных и квантово-химических расчетов позволит установить основные структурные и электронные параметры, оказывающие принципиальное влияние на стабильность и реакционную способность новых циклоалкиновых структур. Также будут получены ответы на вопросы о причинах нестабильности циклооктинов с двумя эндоциклическими сигма-акцепторами при пропаргильных атомах углерода и природе эффектов, не связанных с энергией напряжения цикла, но столь сильно активирующих дибензоциклооктины в SPAAC.
На основе наиболее реакционноспособных и стабильных циклоалкиновых молекул будут созданы новые циклоалкиновые SPAAC реагенты, ключевой особенностью которых является наличие функциональных групп, позволяющих проводить модификацию циклоалкинов при помощи флуоресцентных меток и других важных лигандов. Также будут получены новые SPAAC реагенты, которые сами по себе обладают флуоресцентными свойствами за счет малых флуорофоров, вводимых на начальных стадиях синтеза.
Полученные циклоалкиновые реагенты, содержащие функциональные группы, будут использованы для синтеза конъюгатов с флуоресцентными красителями. Будет синтезирована библиотека конъюгатов с флуоресцентными метками в широком спектральном диапазоне и различными физико-химическими свойствами. Биологические испытания полученных флуоресцентных циклоалкиновых конъюгатов и сравнение их эффективности с коммерчески доступными аналогами позволят выделить наиболее перспективные флуоресцентные циклоалкиновые реагенты для визуализации метаболически меченых клеток.
Немодифицированные новые циклоалкиновые скаффолды также будут представлять большой интерес с точки зрения теоретической органической химии, так как позволят продвинуться дальше в поиске ответа на вопрос о кинетической стабильности циклоалкинов, методах предсказания кинетической нестабильности и возможных путях ее устранения за счет рационального дизайна.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ