Name: hierarchical and programmable one-pot oligosaccharide synthesis
Uploaded: 2019-09-06T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Hierarchical and Programmable One-Pot Oligosaccharide Synthesis at JoVE.com

Dette arbejde blev støttet af Academia Sinica, herunder Summit program, Ministeriet for videnskab og teknologi [MOST 104-0210-01-09-02, MOST 105-0210-01-13-01, MOST 106-0210-01-15-02], og NSF (1664283).

1. Auto-CHO software manipulation
<ol><li>Installation af Java Runtime Environment: Kontroller, at JRE (Java Runtime Environment) er installeret på enheden. Hvis JRE er blevet installeret, gå til næste trin, "software initialisering"; ellers hente og installere JRE i henhold til brugerens operativsystem findes på: < https://www.Oracle.com/technetwork/Java/javase/downloads/index.html >.</li>
	<li>Software initialisering: gå til Auto-CHO hjemmeside på < https://sites.Google.com/View/Auto-Cho/Home > og downloade sof...

<ol>
	<li>Apweiler, R., Hermjakob, H., Sharon, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+frequency+of+protein+glycosylation,+as+deduced+from+analysis+of+the+SWISS-PROT+database.">On the frequency of protein glycosylation, as deduced from analysis of the SWISS-PROT database.</a> Biochimica Et Biophysica Acta. 1473 (1), 4-8 (1999).</li><li>Sears, P., Wong, C. -. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+Automated+Synthesis+of+Oligosaccharides+and+Glycoproteins.">Toward Automated Synthesis of Oligosaccharides and Glycoproteins.</a> Science. 291 (5512), 2344-2350 (2001).</li><li>Kulkarni, S. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=&#8220;One-Pot&#8221;+Protection,+Glycosylation,+and+Protection-Glycosylation+Strategies+of+Carbohydrates.">&#8220;One-Pot&#8221; Protection, Glycosylation, and Protection-Glycosylation Strategies of Carbohydrates.</a> Chemical Reviews. 118 (17), 8025-8104 (2018).</li><li>Zhang, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Programmable+One-Pot+Oligosaccharide+Synthesis.">Programmable One-Pot Oligosaccharide Synthesis.</a> Journal of the American Chemical Society. 121 (4), 734-753 (1999).</li><li>Cheng, C. -. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hierarchical+and+programmable+one-pot+synthesis+of+oligosaccharides.">Hierarchical and programmable one-pot synthesis of oligosaccharides.</a> Nature Communications. 9 (1), 5202 (2018).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> ChemDraw. , (2019).</li><li>Cheeseman, J. R., Frisch, &. #. 1. 9. 8. ;. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Predicting magnetic properties with chemdraw and gaussian. , (2000).</li><li>Yap, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=PaDEL-descriptor:+An+open+source+software+to+calculate+molecular+descriptors+and+fingerprints.">PaDEL-descriptor: An open source software to calculate molecular descriptors and fingerprints.</a> Journal of Computational Chemistry. 32 (7), 1466-1474 (2011).</li><li>Ceroni, A., Dell, A., Haslam, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+GlycanBuilder:+a+fast,+intuitive+and+flexible+software+tool+for+building+and+displaying+glycan+structures.">The GlycanBuilder: a fast, intuitive and flexible software tool for building and displaying glycan structures.</a> Source Code for Biology and Medicine. 2, 3 (2007).</li><li>Damerell, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+GlycanBuilder+and+GlycoWorkbench+glycoinformatics+tools:+updates+and+new+developments.">The GlycanBuilder and GlycoWorkbench glycoinformatics tools: updates and new developments.</a> Biological Chemistry. 393 (11), 1357-1362 (2012).</li></ol>

Auto-CHO-softwaren blev udviklet til at hjælpe kemikere med at fortsætte den hierarkiske og programmerbare One-pot-syntese af oligosaccharider5. Auto-CHO blev bygget af Java programmeringssprog. Det er en GUI software og cross-platform, som i øjeblikket understøtter Windows, macOS, og Ubuntu. Softwaren kan downloades gratis for auto-CHO hjemmeside på < https://sites.Google.com/View/Auto-Cho/Home >, og dens kildekode med MIT licens kan tilgås fra GitHub på < https://github.com/CW-Wayne/Auto-...

Kulhydrater er allestedsnærværende i naturen1,2, menderes tilstedeværelse og virkningsmåde forbliver et ukendt territorium, primært på grund af vanskelig adgang til denne klasse af molekyler3. I modsætning til automatiseret syntese af oligopeptider og oligonukleotider er udviklingen af automatiseret syntese af oligosaccharider fortsat en formidabel opgave, og fremskridtene har været relativt langsomme.
For at tackle dette problem, Wong et al. udviklet den første automatiserede metode til syntese af oligosaccharider ved hjælp af en programmerbar softwareprogram kaldet Optimer4, som guider udvælgelsen af bbls fra et bibliotek af ~ 50 bbls for sekventiel en-pot Reaktioner. Hver BBL blev designet og syntetiseret med veldefineret reaktivitet tunet af forskellige beskyttende grupper. Ved hjælp af denne fremgangsmåde, kompleksiteten af at beskytte manipulation og mellemliggende rensning kan minimeres under syntese, som er blevet betragtet som de vanskeligste spørgsmål at overvinde i udviklingen af automatiseret syntese. På trods af dette forskud, metoden er stadig ganske begrænset, da antallet af BBLs er for lille og Optimer program kan kun håndtere visse små oligosaccharider. For mere komplekse oligosaccharider, der kræver flere BBLs og flere passerer af en-pot reaktioner og fragment kondensation, en opgraderet version af softwareprogrammet, Auto-CHO5, er blevet udviklet.
I Auto-CHO er der tilføjet mere end 50.000 BBLs med defineret reaktivitet til BBL-biblioteket, herunder 154 syntetiske og 50.000 virtuelle. Disse bbl'er er designet af maskinel indlæring baseret på grundlæggende egenskaber, beregnet NMR Chemical Skift6,7, og molekylære deskriptorer8, som påvirker strukturen og reaktiviteten af bbls. Med dette opgraderede program og nye sæt Bbl'er til rådighed, den syntese kapacitet er udvidet, og som påvist, flere oligosaccharider af interesse kan hurtigt være forberedt. Det menes, at denne nye udvikling vil lette syntesen af oligosaccharider for studiet af deres roller i forskellige biologiske processer og deres virkninger på strukturer og funktioner af glykoproteiner og glycolipider. Det menes også, at dette arbejde vil gavne glycovidenskaben samfund betydeligt, da denne metode er tilgængelig for forskersamfundet gratis. Syntese af den væsentlige humane embryonale stamcelle markør, SSEA-45, er demonstreret i dette arbejde.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Acetonitrile</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>75-05-8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anhydrous magnesium sulfate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>7487-88-9</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cerium ammonium molybdate</td>
			<td>TCI</td>
			<td>C1794</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dichloromethane</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>75-09-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Drierite</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>7778-18-9</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethyl acetate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>141-78-6</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methanol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>67-56-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Molecular sieves 4 &#197;</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>n-Hexane</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>110-54-3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N-Iodosuccinimide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>516-12-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium bicarbonate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>144-55-8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium thiosulfate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>10102-17-7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Toluene</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>108-88-3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trifluoromethanesulfonic acid</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>1493-13-6</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

hierarchical and programmable one-pot oligosaccharide synthesis

Denne artikel præsenterer en generel eksperimentel protokol for programmerbar One-pot oligosaccharid syntese og demonstrerer, hvordan man bruger auto-Cho software til at generere potentielle syntetiske løsninger. Den programmerbare One-pot oligosaccharid syntese tilgang er designet til at styrke hurtig oligosaccharid syntese af store mængder ved hjælp af thioglycoside byggeklodser (bbl'er) med passende sekventiel rækkefølge af relative reaktivitet værdier (rrvs). Auto-Cho er en cross-platform software med en grafisk brugergrænseflade, der giver mulige syntetiske løsninger til programmerbar One-pot oligosaccharid syntese ved at søge en bbl bibliotek (indeholdende ca. 150 valideret og > 50000 virtuelle bbls) med nøjagtigt forudsagt RRVs ved støtte vektor regression. Algoritmen for hierarkisk en-pot syntese er blevet implementeret i Auto-CHO og bruger fragmenter genereret af en-pot reaktioner som nye BBLs. Desuden giver auto-CHO brugerne mulighed for at give feedback til virtuelle BBLs at holde værdifulde dem til yderligere brug. En-pot syntese af fase-specifikke embryonale antigen 4 (SSEA-4), som er en pluripotente humane embryonale stamcelle markør, er påvist i dette arbejde.

Auto-CHO-søgeresultatet baseret på standardparameter indstillinger indikerer, at SSEA-4 kan syntetiseres af en [2 + 1 + 3] en-pot-reaktion. Figur 3 viser software skærmbilledet af ssea-4 søgeresultatet. Når der vælges en trisaccharid-reducerende acceptor (figur 3, etiket 1), viser programmet fire potentielle løsninger til forespørgslen. Den første løsning har et fragment (figur 3, Label 2),...

Watch this Scientific Journal Video about Hierarchical and Programmable One-Pot Oligosaccharide Synthesis at JoVE.com

Hierarchical and Programmable One-Pot Oligosaccharide Synthesis

Denne protokol demonstrerer, hvordan man bruger auto-CHO software til hierarkisk og programmerbar en-pot syntese af oligosaccharider. Den beskriver også den generelle procedure for forsøg med bestemmelse af RRV og en-pot-glykosylering af SSEA-4.

Hierarkisk og programmerbar en-pot oligosaccharid syntese

This article presents a general experimental protocol for programmable one-pot oligosaccharide synthesis and demonstrates how to use Auto-CHO software for ...

Vi demonstrerer, hvordan vi bruger vores nyudviklede software, Auto-CHO, til hierarkisk og programmerbar one-pot oligosaccharide syntese. Auto-CHO indeholder algoritmer på udvidede byggesten, med relative reaktivitet værdier forudsagt gennem machine learning. Auto-CHO-softwaren giver en værdifuld retningslinje for valg af byggesten og en hierarkisk plan for de mange en-pot syntese af mere komplekse glycaner gennem fragment sammensætning.Konsekvenserne af denne teknik strækker sig mod behandling af kræft eller smitsomme sygdomme ved kulhydrat-baserede terapeutiske. Før du bruger Auto-CHO, skal du kontrollere, at Java Runtime Environment er installeret i en pc eller Mac. Den visuelle demonstration af Auto-CHO software manipulation og den relaterede reaktivitet værdi bestemmelse eksperiment vil hjælpe kemikere følge protokollen, og gå videre med eksperimentet hurtigt.Hvis du vil udføre softwareinalisering af Java Runtime Environment, skal du gå til Auto-CHO-webstedet og hente softwaren i henhold til operativsystemet. Auto-CHO understøtter i øjeblikket Windows, macOS og Ubuntu. Den seneste PDF-brugervejledning findes på Auto-CHO's websted.For Windows-brugere skal du pakke Auto-CHO Windows ud. zip, og dobbeltklik på Auto-CHO. i mappen Auto-CHO Windows for at starte programmet.Indtast den ønskede glycanstruktur. Vælg at tegne en glycanstruktur eller læse en eksisterende strukturfil. Hvis du vil indtaste ved at tegne, skal du klikke på rediger glycan af GlycanBuilder, eller det område, klik her for at redigere det syntetiske mål for at tegne og redigere forespørgselsstrukturen ved GlycanBuilder.Oplysninger om sammenkok og chiralitet bør ikke ignoreres. Klik på Knapperne Globo-H, SSEA-4 eller OligoLacNAc for at få vist eksemplerne. Luk GlycanBuilder-dialogen for at fuldføre redigeringen.Definer søgeparametrene under fanen Parameterindstillinger for at få rimelige søgeresultater. Klik på knappen okay for at aktivere nye indstillinger. Standardindstillingen er kun at søge i det eksperimentelle bibliotek.Hvis du ønsker at søge i både de eksperimentelle og virtuelle biblioteker, skal du vælge fanen virtuelt dokumentkomponentbibliotek. Vælg brug eksperimentelle og virtuelle biblioteker, og anvend filtrering for at få vist virtuelle byggeklodser med bestemte kriterier. Eksperimentelle og virtuelle byggesten kan arbejde sammen om at forbedre søgeevnen for Auto-CHO.I øjeblikket, Auto-CHO giver mere end 50,000 virtuelle byggesten, med forudsagte RRVs i biblioteket. Kontroller en eller flere ønskede virtuelle byggesten, som brugeren gerne vil bruge til søgning. Klik på knappen Vis valgte virtuelle byggesten for kun at vise de valgte virtuelle byggesten.Klik på vis filtreret virtuelle byggesten knappen for at vise kun virtuelle byggesten med visse kriterier defineret af brugeren. Klik på vis alle virtuelle byggesten knappen for at vise alle tilgængelige virtuelle byggesten, og nulstille filteret. Vælg fanen forespørgselsstruktur, og klik på biblioteksknappen søg i dokumentkomponenten for at finde de syntetiske løsninger med én pulje til forespørgselsstrukturen.Bekræft derefter parameterindstillingerne. Søg i resultatfremviseren. Søgeresultatet vises under fanen Resultatvisualisering.De reducerende endereceptorer for forskellige restnumre vises i den reducerende endereceptorkolonne. Vælg derefter en reducerende sluttager. Løsninger vises på listen over syntetiske løsninger.Fragmenter vises på fragmentlisten for at foreslå, hvor mange fragmenter der skal anvendes i syntesen. Systemet indeholder detaljerede oplysninger om hvert fragment, herunder fragmentets RRV, beregningsudbytte, samt hvilken beskyttende gruppe bør afbeskyttes for anvendelse af fragmentet i en-pot-reaktionen. De dokumentkomponenter, der bruges til at samle det valgte fragment og fragmentforbindelsesoplysningerne, vises også.For eksperimentelle byggesten, se og kontrollere kemiske strukturer af de valgte byggesten i den kemiske struktur af byggesten region, og se de detaljerede oplysninger byggesten browser. I en 10-milliliter rund bundkolbe, kombinere de to thioglycoside donorer, absolut methanol, og tørrer i DCM. Så rør ved stuetemperatur i en time.Tag en 30-mikroliter aliquot af denne blanding og injicere blandingen i højtydende flydende kromatografi i tre separate injektioner. Koefficienten mellem donormolekylets absorption og koncentration under forhold til baseline-separation. Der tilsættes en opløsning på 0,5 molar N-Iodosuccinimid i acetonitrile i reaktionsblandingen efterfulgt af tilsætning af en 0,1 molar trifluoromethanesulfonsyreopløsning.Rør blandingen ved stuetemperatur i to timer. Dernæst fortyndes reaktionsblandingen med fire milliliter DCM. Reaktionen filtreres og vaskes med mættet vandigt natrium thiosulfat, der indeholder 10 % natriumhydraenærcarbonat.Nu udtrække vandige lag tre gange med fem milliliter DCM. Kombiner alle organiske lag, og vask med fem milliliter saltlage. Tør derefter de kombinerede lag med ca. 200 milligram vandfri magnesiumsulfat.Ryst blandingen mildt i 30 sekunder, og filtrer den gennem en tragt med en riflet filterpapir for at fjerne magnesiumsulfatet. Derefter opsamles filtratet i en 25-milliliter rund bundkolbe. Fjern opløsningsmidlet ved hjælp af en roterende fordamper.Restproduktet opløses i en milliliter DCM. Tag en 30-mikroliter aliquot af denne blanding, og injicere det i højtydende flydende kromatografi i tre separate injektioner. HPLC måler koncentrationerne af de resterende donorer under de samme adskillelsesbetingelser.Mål den relative reaktivitet. Baseret på den relative reaktivitetsværdi for DR4 er den relative reaktivitetsværdi af DX1 tre. Auto-CHO-søgeresultatet baseret på standardparameterindstillinger angiver, at SSEA-4 kan syntetiseres med en to plus en plus tre en-pot-reaktion.Når der vælges en tresaccharidreducerende slutac acceptor, viser programmet fire potentielle løsninger for forespørgslen. Den første løsning har et fragment, og dens beregnede udbytte er omkring 94%Fragmentet kan syntetiseres af to byggesten. RRV af den første disaccharid byggesten er 1462, og RRV af den anden monosaccharid er 32,0.Den kemiske struktur af den første foreslåede byggesten, der anvendes i en-pot reaktion er også vist. One-pot eksperimentet viser, at SSEA-4 med succes kan syntetiseres i 43% udbytte ved dette forslag. SSEA-4 kan syntetiseres af tre enheder foreslået af Auto-CHO.Disse enheder omfatter silele disaccharid byggesten et, monosaccharid byggesten to, og reducere ende acceptor tre. For parameterindstillinger foreslår vi at angive parametre med strengere kriterier i begyndelsen. For udvælgelsen af byggesten biblioteket, foreslår vi at søge i forsøgsbiblioteket først.Gennem denne demonstration, håber vi mere vigtige glycans, såsom tumor-associerede kulhydrat antigener, kan syntetiseres af one-pot tilgang til yderligere undersøgelser. Efter denne procedure, syntese af alle sådanne antigener kan udføres for at designe kulhydrat-baserede kræft vacciner. Vi håber også, at kunstig intelligens og computeralgoritmer kan lette automatiseret glycansyntese til gavn for sygdomsbehandling og forebyggelse.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Synthesis and Characterization of Functionalized Metal-organic Frameworks

Syntese og karakterisering af funktionaliserede Metal-organisk Frameworks

Metal-organic frameworks have attracted extraordinary amounts of research attention, as they are attractive candidates for numerous industrial and ...

Synthesis and Reaction Chemistry of Nanosize Monosodium Titanate

Syntese og Reaktion kemi nanostørrelse Mononatrium titanat

This paper describes the synthesis and peroxide-modification of nanosize monosodium titanate (nMST), along with an ion-exchange reaction to load the ...

Synthesis of Programmable Main-chain Liquid-crystalline Elastomers Using a Two-stage Thiol-acrylate Reaction

Syntese af programmerbare Main-kæde Liquid-krystallinske Elastomerer hjælp af en to-trins Thiol-acrylat Reaktion

This study presents a novel two-stage thiol-acrylate Michael addition-photopolymerization (TAMAP) reaction to prepare main-chain liquid-crystalline ...

Synthesis and Characterization of Supramolecular Colloids

Syntese og karakterisering af supramolekylære Colloids

Control over colloidal assembly is of utmost importance for the development of functional colloidal materials with tailored structural and mechanical ...

Synthesis of Hierarchical ZnO/CdSSe Heterostructure Nanotrees

Syntese af Hierarkisk ZnO / CdSSe heterostruktur Nanotrees

A two-step chemical vapor deposition procedure is here employed to prepare tree-like hierarchical ZnO/CdSSe hetero-nanostructures. The structures are ...

One-pot Microwave-assisted Conversion of Anomeric Nitrate-esters to Trichloroacetimidates

One-pot mikrobølgeovn-assisteret konvertering af anomere nitrat-estere til Trichloroacetimidates

The goal of the following procedure is to provide a demonstration of the one-pot conversion of a 2-azido-1-nitrate-ester to a trichloroacetimidate ...

Synthesis and Mass Spectrometry Analysis of Oligo-peptoids

Syntese og massespektrometri analyse af Oligo-peptoids

Peptoids are sequence-controlled peptide-mimicking oligomers consisting of N-alkylated glycine units. Among many potential applications, peptoids have ...

Synthesis of Substrate-Bound Au Nanowires Via an Active Surface Growth Mechanism

Syntese af substrat-bundet Au Nanowires Via en aktiv overflade vækst mekanisme

Advancing synthetic capabilities is important for the development of nanoscience and nanotechnology. The synthesis of nanowires has always been a ...

Synthesis and Characterization of Amphiphilic Gold Nanoparticles

Syntese og karakterisering af Amphiphilic guld nanopartikler

Gold nanoparticles covered with a mixture of 1-octanethiol (OT) and 11-mercapto-1-undecane sulfonic acid (MUS) have been extensively studied because of ...

Versatile CO2 Transformations into Complex Products: A One-pot Two-step Strategy

Versatile CO2 Transformations into Complex Products: A One-pot Two-step Strategy

Alsidige CO2 -transformationer til komplekse produkter: en One-pot-strategi med to trin

CO2 transformations using a one-pot two-step method are presented herein. The purpose of the method is to give access to a variety of value-added products ...