Summary

Syntese av 1,2-Azaborines og utarbeidelse av deres protein komplekser med T4 Lysozyme Mutants

Published: March 25, 2017
doi:

Summary

A protocol for the synthesis of 1,2-azaborines and the preparation of their protein complexes with T4 lysozyme mutants is presented.

Abstract

We describe a general synthesis of 1,2-azaborines using standard air-free techniques and protein complex preparation with T4 lysozyme mutants by vapor diffusion. Oxygen- and moisture-sensitive compounds are prepared and isolated under an inert atmosphere (N2) using either a vacuum gas manifold or a glove box. As an example of azaborine synthesis, we demonstrate the synthesis and purification of the volatile N-H-B-ethyl-1,2-azaborine by a five-step sequence involving distillation and column chromatography for the isolation of products. T4 lysozyme mutants L99A and L99A/M102Q are expressed with Escherichia coli RR1 strain. Standard protocols for chemical cell lysis followed by purification using carboxymethyl ion exchange column affords protein of sufficiently high purity for crystallization. Protein crystallization is performed in various concentrations of precipitant at different pH ranges using the hanging drop vapor diffusion method. Complex preparation with the small molecules is carried out by vapor diffusion method under an inert atmosphere. X-ray diffraction analysis of the crystal complex provides unambiguous structural evidence of binding interactions between the protein binding site and 1,2-azaborines.

Introduction

Boron-nitrogenholdig heterosykler (dvs. 1,2-azaborines) har nylig trukket betydelig oppmerksomhet som isosterer av Arenes. Dette isosterism kan føre til spredning av de eksisterende strukturelle motiver for å utvide den kjemiske rommet 2, 3, 4. Azaborines har potensiell anvendelse for anvendelse i biomedisinsk forskning 5, 6, 7, 8, spesielt i området medisinsk kjemi som kjemikere gjennomføre syntese av biblioteker av strukturelt og funksjonelt relevante molekyler. Signifikant, men mens det finnes mange godt utviklede synteseveier til tilgjengelige Arene-inneholdende molekyler, har bare et begrenset antall fremgangsmåter for syntese av azaborines blitt rapportert 9, 10, </sopp> 11, 12, 13. Dette er hovedsakelig på grunn av et begrenset antall alternativer for bor kilden og luft- og fukt sensitiv karakter av molekylet i den tidlige fasen av syntetisk sekvens.

I den første delen av denne artikkelen vil vi beskrive en fler gram skala syntese av N -TBS- B-Cl-1,2-azaborine (3) ved anvendelse av standard luftfrie teknikker. Denne forbindelsen virker som et allsidig mellomprodukt som kan bli ytterligere funksjonalisert for å strukturelt mer komplekse molekyler, 14 15. Å starte fra 3, vil syntese og rensing av N -H- B-etyl-1,2-azaborine (5) for bruk i proteinbindingsstudier beskrives. På grunn av volatiliteten av 5, krever sin effektiv isolering nøyaktig kontroll av reaksjonstemperatur, tid og distillation forhold.

I den andre delen, protokoller for protein ekspresjon og isolering av T4 lysozym mutanter (L99A og L99A / M102Q) 17, 18, 19, 20 vil bli presentert, etterfulgt av krystallisering protein og fremstilling av protein-ligand-krystall-komplekser. T4 lysozym mutanter L99A og L99A / M102Q ble valgt som biologiske modellsystemer for å undersøke hydrogenbinding evnen til NH inneholder azaborine molekyler 17. Ved hjelp av en standard molekylærbiologi-protokollen, er proteinet uttrykt i Escherichia coli RR1-stamme og indusert med isopropyl-β-D-1-tiogalaktopyranosid (IPTG). Proteinrensing utføres ved anvendelse av ionebytte-kolonnekromatografi. Protein krystallisering utføres med sterkt konsentrert renset proteinløsning (> 95% renhet ved gelelektroforese) ved hjelp av opphengsslippe damp diffusjon metode. På grunn av følsomheten av denne studien er ligander til oksygen, blir protein-ligand-kompleksene fremstilt i henhold til luftfrie betingelser.

Protocol

MERK: Alle oksygen- og fuktfølsomme manipulasjoner ble utført under en inert atmosfære (N 2) med enten standard luftfritt teknikker eller en hanskerommet. THF (tetrahydrofuran), Et 2 O (dietyleter), CH 2Cl 2 (diklormetan), toluen og pentan ble renset ved føring gjennom en nøytral aluminiumoksyd-kolonne under argon. Acetonitril ble tørket over CaH 2 (kalsiumhydrid) og destilleres under nitrogenatmosfære før bruk. Pd / C (palladium på karbon) ble oppvarmet un…

Representative Results

Den skjematiske synteserute for 1,2-azaborines er vist i figur 1. Denne protokollen gjelder syntesen av fem forskjellige bor-nitrogen-inneholdende molekyler. Figur 2 representerer 11 B NMR-spektra målt i løpet av trinnet 1,3 for å overvåke dannelsen av det ønskede produkt (3). Proteinrensing ble utført ved hjelp av lav-trykk kromatografi-system og et representativt kromatogram er vist i figur 3. Renheten…

Discussion

I den første delen av denne protokollen, beskrev vi en modifisert syntese av 1,2-azaborines basert på tidligere rapporterte fremgangsmåter 12, 13. Triallylborane 22 ble brukt som en erstatning for de ruter ved hjelp av allyltriphenyl tinn eller kalium allyltrifluoroborate for å fremstille N -allyl- N -TBS- B -allyl kloridadduktet (1). Denne metoden gir en mer atom-økonomisk og miljøvennlig…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This research was supported by the National Institutes of Health NIGMS (R01-GM094541) and Boston College.

Materials

Tetrahydrofuran (THF), inhibitor-free, for HPLC, ≥99.9% Sigma Aldrich 34865
Diethyl ether (Et2O), for HPLC, ≥99.9%, inhibitor-free Sigma Aldrich 309966
Methylene chloride  (CH2Cl2), (Stabilized/Certified ACS) Fisher D37-20
Toluene Fisher T290-4
Pentane, HPLC Fisher P399-4
Acetonitrile Fisher A21-4
Calcium hydride (CaH2), reagent grade, 95% Sigma Aldrich 208027 Pyrophoric
Palladium on activated carbon (Pd/C), 10 wt% Pd Strem 46-1900
1.0 M Boron trichloride solution in hexane Sigma Aldrich 211249 Highly toxic/ Pyrophoric
Triethylamine, ≥99.5% Sigma Aldrich 471283
Grubbs 1st generation catalyst  materia C823
Acetamide Sigma Aldrich A0500
n-Butanol, anhydrous, 99.8% Sigma Aldrich 281549
Ethyllithium solution, 0.5 M in benzene/cyclohexane Sigma Aldrich 561452 Highly toxic/ Pyrophoric
HCl solution, 2.0 M in Et2O Sigma Aldrich 455180
2-Methylbutane, anhydrous, ≥99% Sigma Aldrich 277258
Escherichia coli, (Migula) Castellani and Chalmers (ATCC® 31343™) ATCC 31343
T4 lysozyme WT* (L99A) Addgene 18476
T4 lysozyme mutant (S38D L99A M102Q N144D) Addgene 18477
Ampicillin sodium salt Sigma Aldrich A0166
isopropyl-β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG)  Invitrogen AM9464
Sodium phosphate monobasic  anhydrous Fisher BP329
Sodium Phosphate dibasic anhydrous Fisher BP332
Sodium chloride Fisher S642212 
Ethylenediaminetetraacetic acid Fisher BP118
Magnesium chloride Sigma Aldrich M4880 Corrosive
Thermo scientific pierce DNaseI Fisher PI-90083
GE Healthcare Sepharose Fast Flow Cation Exchange Media Fisher 45-002-931
Tris-base Fisher BP152-500 
Sodium azide TCI S0489 Highly toxic
2-Mercaptoethanol Fisher ICN806443 
Sartorius Vivaspin 20 Centrifugal Concentrators Fisher 14-558-501
Potassium phosphate monobasic Sigma Aldrich P5379
2-Hydroxyethyl disulfide Sigma Aldrich 380474
N-paratone  Hampton Research HR2-643
4 RC Dialysis Membrane Tubing 12,000 to 14,000 Dalton MWCO  Fisher 08-667E
 CryoLoop Hampton Research cryogenic tubing shaped into a loop
CryoTong Thermo Fisher cryogenic tong
Coot Electron density images are generated from the software

References

  1. Ducruix, A., Giége, R. . Crystallization of Nucleic Acids and Proteins, A Practical Approach. , (1992).
  2. Bosdet, M. J. D., Piers, W. E. B-N as a C-C substitute in aromatic systems. Can. J. Chem. 87 (1), 8-29 (2009).
  3. Campbell, P. G., Marwitz, A. J., Liu, S. -. Y. Recent Advances in Azaborine Chemistry. Angew. Chem. Int. Ed. 51 (25), 6074-6092 (2012).
  4. Wang, X. -. Y., Wang, J. -. Y., Pei, J. B. N. Heterosuperbenzenes: Synthesis and Properties. Chem. Eur. J. 21 (9), 3528-3539 (2015).
  5. Zhou, H. -. B., et al. Elemental isomerism: a boron-nitrogen surrogate for a carbon-carbon double bond increases the chemical diversity of estrogen receptor ligands. Chem. Biol. 14 (6), 659-669 (2007).
  6. Ito, H., Yumura, K., Saigo, K. Synthesis, characterization, and binding property of isoelectronic analogues of nucleobases, B(6)-substituted 5-aza-6-borauracils and -thymines. Org. Lett. 12 (15), 3386-3389 (2010).
  7. Vlasceanu, A., Jessing, M., Kilburn, J. P. BN/CC isosterism in borazaronaphthalenes towards phosphodiesterase 10A (PDE10A) inhibitors. Bioorg. Med. Chem. 23 (15), 4453-4461 (2015).
  8. Rombouts, F. J., Tovar, F., Austin, N., Tresadern, G., Trabanco, A. A. Benzazaborinines as Novel Bioisosteric Replacements of Naphthalene: Propranolol as an Example. J. Med. Chem. 58 (23), 9287-9295 (2015).
  9. Culling, G. C., Dewar, M. J. S., Marr, P. A. New Heteroaromatic Compounds. XXIII. Two Analogs of Triphenylene and a Possible Route to Borazarene. J. Am. Chem. Soc. 86 (6), 1125-1127 (1964).
  10. White, D. G. 2-Phenyl-2,1-borazarene and Derivatives of 1,2-Azaboracycloalkanes. J. Am. Chem. Soc. 85 (22), 3634-3636 (1963).
  11. Ashe III, A. J., Fang, X. A Synthesis of Aromatic Five- and Six-Membered B−N Heterocycles via Ring Closing Metathesis. Org. Lett. 2 (14), 2089-2091 (2000).
  12. Marwitz, A. J. V., Matus, M. H., Zakharov, L. N., Dixon, D. A., Liu, S. -. Y. A Hybrid Organic/Inorganic Benzene. Angew. Chem. Int. Ed. 48 (5), 973-977 (2009).
  13. Abbey, E. R., Lamm, A. N., Baggett, A. W., Zakharov, L. N., Liu, S. -. Y. Protecting Group-Free Synthesis of 1,2-Azaborines: A Simple Approach to the Construction of BN-Benzenoids. J. Am. Chem. Soc. 135 (34), 12908-12913 (2013).
  14. Rudebusch, G. E., Zakharov, L. N., Liu, S. -. Y. Rhodium-catalyzed boron arylation of 1,2-azaborines. Angew. Chem. Int. Ed. 52 (35), 9316-9319 (2013).
  15. Brown, A. N., Li, B., Liu, S. -. Y. Negishi Cross-Coupling Is Compatible with a Reactive B-Cl Bond: Development of a Versatile Late-Stage Functionalization of 1,2-Azaborines and Its Application to the Synthesis of New BN Isosteres of Naphthalene and Indenyl. J. Am. Chem. Soc. 137 (28), 8932-8935 (2015).
  16. Knack, D. H. BN/CC Isosteric Compounds as Enzyme Inhibitors: N- and B-Ethyl-1,2-azaborine Inhibit Ethylbenzene Hydroxylation as Non-Convertible Substrate Analogs. Angew. Chem. Int. Ed. 52 (9), 2599-2601 (2013).
  17. Eriksson, A. E. Response of a Protein Structure to Cavity-Creating Mutations and Its Relation to the Hydrophobic Effect. Science. 255 (5041), 178-183 (1992).
  18. Eriksson, A. E., Baase, W. A., Wozniak, J. A., Matthews, B. W. A cavity-containing mutant of T4 lysozyme is stabilized by buried benzene. Nature. 355 (6358), 371-373 (1992).
  19. Morton, A., Baase, W. A., Matthews, B. W. Energetic Origins of Specificity of Ligand Binding in an Interior Nonpolar Cavity of T4 Lysozyme. 생화학. 34 (27), 8564-8575 (1995).
  20. Wei, B. Q., Baase, W. A., Weaver, L. H., Matthews, B. W., Shoichet, B. K. A Model Binding Site for Testing Scoring Functions in Molecular Docking. J. Mol. Biol. 322 (2), 339-355 (2002).
  21. Lee, H., Fischer, M., Shoichet, B. K., Liu, S. -. Y. Hydrogen Bonding of 1,2-Azaborines in the Binding Cavity of T4 Lysozyme Mutants: Structures and Thermodynamics. J. Am. Chem. Soc. 138 (37), 12021-12024 (2016).
  22. Brown, H. C., Racherla, U. S. Organoboranes. 43. A Convenient, Highly Efficient Synthesis of Triorganylboranes via a Modified Organometallic Route. J. Org. Chem. 51 (4), 427-432 (1986).
  23. Laemmli, U. K. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4. Nature. 227, 680-685 (1970).
  24. Liu, L., Baase, W. A., Matthews, B. W. Halogenated Benzenes Bound within a Non-polar Cavity in T4 Lysozyme Provide Examples of I.S and I.Se Halogen-bonding. J. Mol. Biol. 385 (2), 595-605 (2009).
check_url/kr/55154?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Lee, H., Liu, S. Synthesis of 1,2-Azaborines and the Preparation of Their Protein Complexes with T4 Lysozyme Mutants. J. Vis. Exp. (121), e55154, doi:10.3791/55154 (2017).

View Video