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

Detta arbete stöddes av Academia Sinica inklusive Summit programmet, ministeriet för vetenskap och teknik [mest 104-0210-01-09-02, mest 105-0210-01-13-01, mest 106-0210-01-15-02], och NSF (1664283).

1. Auto-CHO programvara manipulation
<ol><li>Installation av Java Runtime Environment: Kontrollera att Java Runtime Environment (JRE) har installerats i enheten. Om JRE har installerats, gå till nästa steg, "Software initiering"; i annat fall hämtar och installerar du JRE enligt användarens operativsystem som finns på: < https://www.Oracle.com/technetwork/Java/javase/downloads/index.html >.</li>
	<li>Initiering av programvara: gå till Auto-CHO webbplats på < https://sites.Google.com/View/Auto-Cho/Home > och ladd...

<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 programvara utvecklades för att bistå kemister att fortsätta hierarkiska och programmerbara en-Pot syntes av oligosackarider5. Auto-CHO byggdes av programmeringsspråket Java. Det är en GUI-programvara och plattformsoberoende, som för närvarande stöder Windows, macOS och Ubuntu. Programvaran kan laddas ner gratis för Auto-CHO webbplats på < https://sites.Google.com/View/Auto-Cho/Home >, och dess källkod med MIT licens kan nås från GitHub på < https://github.com/CW-Wayne/Auto-...

Kolhydrater är allmänt förekommande i naturen1,2, menderas närvaro och verkningssätt förblir ett okänt territorium, främst på grund av svår tillgång till denna klass av molekyler3. Till skillnad från automatiserad syntes av oligopeptider och oligonukleotider, är utvecklingen av automatiserad syntes av oligosackarider fortfarande en formidabel uppgift, och framstegen har varit relativt långsamma.
För att tackla detta problem, utvecklade Wong et al. den första automatiserade metoden för syntes av oligosackarider med hjälp av en programmerbar programvara som heter opTimer4, som vägleder urvalet av bbls från ett bibliotek av ~ 50 bbls för sekventiell One-Pot Reaktioner. Varje BBL utformades och syntetiseras med väldefinierade reaktivitet stämd av olika skyddande grupper. Med hjälp av denna metod, kan komplexiteten i att skydda manipulation och mellanliggande rening minimeras under syntesen, som har ansetts vara de svåraste frågorna att övervinna i utvecklingen av automatiserad syntes. Trots detta förskott, är metoden fortfarande ganska begränsad, eftersom antalet BBLs är för liten och opTimer programmet kan bara hantera vissa små oligosackarider. För mer komplexa oligosackarider som kräver fler BBLs och flera passerar en-Pot reaktioner och fragment kondensation, en uppgraderad version av programvaran, Auto-CHO5, har utvecklats.
I Auto-CHO, mer än 50 000 BBLs med definierade reaktivitet till BBL biblioteket har lagts till, inklusive 154 syntetiska och 50 000 virtuella sådana. Dessa bbls utformades av maskininlärning baserat på grundläggande egenskaper, beräknad NMR Chemical skiftar6,7, och molekylära beskrivningar8, som påverkar strukturen och reaktivitet av bbls. Med detta uppgraderade program och nya uppsättning BBLs tillgängliga, syntes kapaciteten utvidgas, och som demonstreras, flera oligosackarider av intresse kan snabbt förberedas. Man tror att denna nya utveckling kommer att underlätta syntesen av oligosackarider för studiet av deras roller i olika biologiska processer och deras inverkan på strukturer och funktioner av glykoproteiner och glykolipider. Det är också tänkt att detta arbete kommer att gynna glykovetenskap samhället avsevärt, med tanke på att denna metod är tillgänglig för forskarsamhället gratis. Syntes av den väsentliga mänskliga embryonala stamcells markören, SSEA-45, visas i detta arbete.

<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

Denna artikel presenterar en allmän experimentell protokoll för programmerbara en-Pot oligosackarid syntes och visar hur man använder Auto-CHO programvara för att generera potentiella syntetiska lösningar. Den programmerbara en-Pot oligosackarid syntesmetod är utformad för att ge snabb oligosackarid syntes av stora mängder med tioglycoside byggstenar (BBLs) med lämplig sekventiell ordning relativa reaktivitet värden (RRVs). Auto-CHO är en plattformsoberoende programvara med ett grafiskt användargränssnitt som ger möjliga syntetiska lösningar för programmerbara en-Pot oligosackarid syntes genom att söka en BBL bibliotek (som innehåller ca 150 validerade och > 50000 virtuella BBLs) med exakt förutspådde RRVs av stöd Vector regression. Algoritmen för hierarkiska en-Pot syntes har genomförts i Auto-CHO och använder fragment som genereras av en-Pot reaktioner som nya BBLs. Dessutom tillåter auto-CHO användare att ge feedback för virtuella BBLs att hålla värdefulla sådana för vidare användning. En-Pot syntes av Stadium-specifika embryonala antigen 4 (SSEA-4), som är en pluripotenta mänskliga embryonala stamcells markör, visas i detta arbete.

Auto-CHO sökresultat baserat på standardinställningarna parameterinställningar indikerar SSEA-4 kan syntetiseras av en [2 + 1 + 3] One-Pot reaktion. Figur 3 visar programvaran skärmdump av ssea-4 sökresultat. När en trisaccharide minska acceptor är markerad (figur 3, etikett 1), programmet visar fyra möjliga lösningar för frågan. Den första lösningen har ett fragment (figur 3, etikett 2...

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

Hierarchical and Programmable One-Pot Oligosaccharide Synthesis

Detta protokoll visar hur man använder Auto-CHO programvara för hierarkisk och programmerbar en-Pot syntes av oligosackarider. Det beskriver också det allmänna förfarandet för RRV bestämning experiment och en-Pot glykosylering av SSEA-4.

Hierarkisk och programmerbar en-kruka oligosackarid syntes

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

Vi demonstrerar hur vi använder vår nyutvecklade mjukvara, Auto-CHO, för hierarkisk och programmerbar en-pot oligosackaridsyntes. Auto-CHO innehåller algoritmer på utökade byggblock, med relativa reaktivitetsvärden som förutsagts genom maskininlärning. Auto-CHO-programvaran ger en värdefull riktlinje för byggblocksval, och en hierarkisk skiss för den flera en-pot syntesen av mer komplexa glykaner genom fragment sammansättning.Konsekvenserna av denna teknik sträcker sig mot terapi av cancer eller infektionssjukdomar av kolhydrat-baserade therapeuticals. Innan du använder Auto-CHO, vänligen se till att Java Runtime Environment har installerats i en PC eller Mac. Den visuella demonstrationen av Auto-CHO programvara manipulation och relaterade reaktivitet värde bestämning experiment kommer att hjälpa kemister följa protokollet, och gå vidare med experimentet snabbt.För att utföra initiering av programvara av Java Runtime Environment, gå till Auto-CHO webbplats och ladda ner programvaran enligt operativsystemet. För närvarande stöder Auto-CHO Windows, macOS och Ubuntu. Den senaste ANVÄNDARHANDBOKEN för PDF finns på Auto-CHO-webbplatsen.För Windows-användare, packa upp Auto-CHO Windows. zip, och dubbelklicka på Auto-CHO. burken i Windows-mappen Auto-CHO för att starta programmet.Mata in önskad glyskanska struktur. Välj att rita en glyskanska struktur eller läsa en befintlig strukturfil. För att mata in genom att rita, klicka på redigera glyk från GlycanBuilder, eller området klicka här för att redigera syntetiska målet att rita och redigera frågan struktur genom GlycanBuilder.Länkning och kiralitetsinformation bör inte ignoreras. Klicka på knapparna Globo-H, SSEA-4, eller OligoLacNAc för att visa exemplen. Stäng Glykbuilder-dialogen för att slutföra redigeringen.Definiera sökparametrarna i parameterinställningsfliken för att få rimliga sökresultat. Klicka på okej-knappen för att aktivera nya inställningar. Standardinställningen är att söka bara i experimentbiblioteket.Om det önskas att söka både den experimentella och virtuella bibliotek, välj den virtuella byggblocket bibliotek fliken. Välj använd experimentella och virtuella bibliotek och tillämpa filtrering för att visa virtuella byggstenar med vissa kriterier. Experimentella och virtuella byggstenar kan samarbeta för att förbättra sökförmågan hos Auto-CHO.För närvarande ger Auto-CHO mer än 50, 000 virtuella byggstenar, med förutsagda RRVs i biblioteket. Kontrollera en eller flera önskade virtuella byggstenar som användaren skulle vilja använda för sökning. Klicka på knappen visa valda virtuella byggstenar för att visa endast de valda virtuella byggstenarna.Klicka på knappen visa filtrerade virtuella byggstenar för att visa endast virtuella byggstenar med vissa kriterier som definieras av användaren. Klicka på visa alla virtuella byggstenar knappen för att visa alla tillgängliga virtuella byggstenar, och återställa filtret. Välj frågestrukturfliken och klicka på sökbyggarbiblioteksknappen för att hitta de syntetiska lösningarna för en pott för frågestrukturen.Bekräfta sedan parameterinställningarna. Sök i resultatvisningsrutan. Sökresultatet visas i resultatvisualiseringsfliken.Den minskande slutreceptorer av olika rester nummer visas i den minskande slutet acceptor kolumnen. Därefter väljer du en reducerande slutreceptor. Lösningar visas på den syntetiska lösningslistan.Fragment visas i fragmentlistan för att föreslå hur många fragment som ska användas i syntesen. Systemet ger detaljerad information om varje fragment, inklusive RRV av fragmentet, beräkningsutbyte, samt som skyddar grupp bör deskydda för användning av fragmentet i en-pot reaktion. De byggblock som används för att montera det markerade fragmentet och fragmentanslutningsinformationen visas också.För experimentella byggstenar, visa och kontrollera kemiska strukturer av de valda byggstenarna i den kemiska strukturen av byggblocket region, och se den detaljerade information byggblocket webbläsare. I en 10-milliliter rund bottenkolv, kombinera de två thioglycoside givare, absolut metanol, och torrierit i DCM. Rör sedan i rumstemperatur i en timme.Ta en 30-microliter alikvot av denna blandning och injicera blandningen i högpresterande vätskekromatografi i tre separata injektioner. Mät koefficienten mellan donatormolekylens absorption och koncentration under baslinjens separationsförhållanden. Tillsätt en lösning på 0,5 molar N-Iodosuccinimid i acetonitril i reaktionsblandningen, följt av tillsats av en 0,1 molar trifluorometanesulfonic syra lösning.Rör om blandningen i rumstemperatur i två timmar. Därefter späd reaktionsblandningen med fyra milliliter DCM. Filtrera och tvätta reaktionen med mättad vattenhaltig natrium tiosulfat, som innehåller 10%natriumvätekarbonat.Nu extrahera vattenskiktet tre gånger med fem milliliter DCM. Kombinera alla organiska lager, och tvätta med fem milliliter saltlake. Torka sedan de kombinerade lagren med cirka 200 milligram vattenfri magnesiumsulfat.Skaka blandningen milt i 30 sekunder, och filtrera den genom en tratt med ett lystfilterpapper för att ta bort magnesiumsulfatet. Samla sedan filtratet i en 25-milliliter rund bottenkolv. Ta bort lösningsmedlet, med hjälp av en roterande förångare.Lös upp återstoden i en milliliter dcm. Ta en 30-microliter alikvot av denna blandning, och injicera den i högpresterande vätskekromatografi i tre separata injektioner. Mät koncentrationerna av de återstående donatorerna genom HPLC, under samma separationsförhållanden.Mät den relativa reaktiviteten. Baserat på det relativa reaktivitetsvärdet för DR4 är det relativa reaktivitetsvärdet för DX1 tre. Sökresultatet Auto-CHO baserat på standardparameterinställningar indikerar att SSEA-4 kan syntetiseras med en två plus ett plus tre en-pott-reaktion.När en trisackaridreducerande slutacceptor har valts visar programmet fyra potentiella lösningar för frågan. Den första lösningen har ett fragment, och dess beräknade avkastning är ca 94%Fragmentet kan syntetiseras av två byggstenar. RRV av den första disackarid byggstenen är 1462, och RRV av den andra monosackarid är 32,0.Den kemiska strukturen hos den första föreslagna byggstenen som används i en-pot reaktionen visas också. Den en-pot experiment visar att SSEA-4 framgångsrikt kan syntetiseras i 43%avkastning av detta förslag. SSEA-4 kan syntetiseras av tre enheter som föreslås av Auto-CHO.Dessa enheter inkluderar silele disackarid byggsten en, monosackarid byggsten två, och minska slutet acceptor tre. För parameterinställningar föreslår vi att man ställer in parametrar med striktare kriterier i början. För valet av byggblocksbiblioteket föreslår vi att man söker i experimentbiblioteket först i början.Genom denna demonstration hoppas vi att viktigare glykaner, såsom tumör-associerade kolhydratantigener, kan syntetiseras av en-pot strategi för vidare studier. Efter detta förfarande kan syntes av alla sådana antigener utföras för att utforma kolhydratbaserade cancervacciner. Vi hoppas också att artificiell intelligens och datoralgoritmer kan underlätta automatiserad glysansyntes till förmån för sjukdomsbehandling och förebyggande.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Synthesis and Characterization of Functionalized Metal-organic Frameworks

Syntes och karakterisering av funktionaliserad metal-organic frame

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

Syntes och reaktionskemi av nanostorlek Mono Titanate

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

Syntes programmerbara Main-kedjan Liquid-kristallina Elastomers hjälp av en två-stegs Tiol-akrylat 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

Syntes och karakterisering av Supramolekylära 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

Syntes av Hierarkisk ZnO / CdSSe Heteronanoträd

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 mikrovågsugn-assisterad konvertering av anomera nitrat-estrar till 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

Syntes och masspektrometri analys av 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

Syntesen av substrat-bundna Au nanotrådar Via en aktiv yta tillväxt mekanism

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

Syntes och karakterisering av Amphiphilic Gold nanopartiklar

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

Mångsidig CO2 omvandlingar till komplexa produkter: en One-Pot två steg strategi

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 ...