Combining chemo-enzymatic synthesis and the Passerini reaction towards green and sustainable protein synthesis

Het synthetiseren van peptiden en eiwitten en het verbinden van verschillende moleculen aan eiwitten (bioconjugatie) zijn van groot belang voor nieuwe toepassingen in de biomedische wetenschap. Voor geavanceerde medische toepassingen is het essentieel om eiwitten op een specifieke, gerichte manier aan te passen. In dit project hebben we een nieuwe methode ontwikkeld die twee krachtige technieken combineert: de Passerini reactie en chemo-enzymatische peptide synthese (CEPS). In onze strategie wordt de Passerini reactie toegepast in milde, waterige bufferoplossingen om de zure groepen (carboxylzuren) van peptiden te om te zetten naar zogenaamde Carboxyamidomethyl (Cam) esters. Deze Cam esters kunnen vervolgens gekoppeld worden aan een ander peptide met behulp van een enzymatisch proces. Door deze twee methoden te combineren, hebben we verschillende korte peptiden (pentapeptiden) succesvol aangepast met een verscheidenheid aan isocyaniden en carbonylverbindingen, en daaropvolgende koppelingen uitgevoerd. Deze innovatieve aanpak biedt een nieuwe en waardevolle technologie voor toekomstig onderzoek naar de gerichte aanpassing van de C-terminus van peptiden en eiwitten, wat veelbelovend is voor de ontwikkeling van nieuwe biomedische toepassingen.

Chemo-enzymatic peptide synthesis is unique in enabling the fast and sustainable synthesis of cyclic peptides, complex peptides and functionalized mini-proteins. The starting materials are routinely obtained by solid-phase peptide synthesis. One of the starting materials requires an oxo-ester functionality for recognition by the enzymes active site. The SPPS-based synthesis of the oxo-ester functionality still suffers from significant byproduct formation and low overall synthesis yields. The solution to this is introduction of the oxo-ester functionality at the end of the SPPS via a so-called Passerini reaction. Such a process does not only result in a more efficient production of cyclic or long peptides, but also expand the scope towards proteins derived from biological synthesis (i.e. recombinant proteins). To highlight the relevance of this proposed methodology, we will demonstrate a site-selective modification of the pharmaceutically important drug insulin.