南京肽业YM说多肽|高通量与组合化学：平行合成、混合-裂分法构建肽库的技术与应用

南京肽业YM说多肽

高通量与组合化学 

平行合成、混合-裂分法构建肽库的技术与应用

摘要

在新药发现与化学生物学研究中，面对复杂的生物靶标，单一的候选分子如同大海捞针。组合化学应运而生，其核心哲学是：利用系统、并行的合成策略，快速构建包含数千至数百万个化合物的分子库。在多肽领域，这一哲学通过自动化平行合成与混合-裂分技术得以极致演绎。本文将深入解析这两大核心技术的工作流、实现方式及其衍生出的肽库如何成为筛选活性先导化合物的强大引擎，并探讨其如何从“数量驱动”的早期范式，演进为当今“质量与设计并重”的智能筛选平台。

一、组合化学的核心价值：从“试错”到“系统搜索”

传统药物发现是“一个序列，一次合成，一次测试”的线性模式。组合化学将模式转变为：

“所有可能序列”的并行合成 → 系统化筛选 → 快速识别活性“热点”

对于由20种天然氨基酸构成的六肽，其理论库容量为20⁶ = 6400万。组合化学提供了在现实时间内合成并筛选其中代表性部分的可行性方案。

二、平行合成法：阵列化与清晰溯源

平行合成是最直观的组合策略，其核心是 “一个位置，一个化合物”。

1. 实现方式：

• 多反应器阵列：使用96孔板、384孔板或由多个独立反应器组成的合成仪。每个孔或反应器被视为一个独立的“微反应工厂”。

• 合成逻辑：通过自动化液体处理器，向同一行（或列）的所有孔中加入相同的氨基酸，但不同行（或列）加入不同的氨基酸。通过编程控制，可以在每个孔中生成不同的序列组合。

• 空间编码：每个化合物在物理空间（如孔板上的坐标）上有唯一地址，其结构由它在合成过程中接收的氨基酸序列直接决定。

2. 特点与流程：

• 优点：

  • 结构完全明确：每个孔中的化合物是已知的、单一的。

  • 筛选便捷：可直接在原位（孔板内）进行生物活性测试（如酶抑制、细胞活性检测）。

  • 易于自动化：与高通量筛选平台无缝衔接。

• 缺点：

  • 库容量受物理容器限制：一个96孔板最多产生96个化合物。

  • 试剂消耗相对较大：每个化合物独立消耗一份树脂和试剂。

• 典型应用：定点扫描库。用于系统研究单个或几个关键位置氨基酸替换对活性的影响，是构效关系研究的黄金标准。例如，合成一个母体肽的所有丙氨酸扫描突变体。

三、混合-裂分法：指数级扩展与标签溯源

混合-裂分法是由Furka等人开创的革命性方法，用于合成“一个珠子，一个化合物” 的巨大肽库。

1. 经典工作流程（以合成三肽库为例）：
下图直观展示了混合-裂分法在三轮合成中如何从3种氨基酸产生27种（3³）三肽的“一珠一化合物”库：

2. 特点与关键问题：

• 巨大库容量：库大小 = （氨基酸种类数）^（肽链长度）。可轻松构建超过百万的库。

• “一珠一化合物”：经过多轮混合与裂分后，单个树脂珠上只携带一种肽序列，因为该珠子在每一轮裂分中只被分配到一种氨基酸。

• 核心挑战——结构鉴定：混合-裂分后，活性珠子上的化合物结构是未知的，必须进行解码。

四、肽库的解码技术

确定阳性珠子上的序列是关键。

1. Edman降解法：

   • 原理：从肽链N端依次切除并鉴定氨基酸。是传统方法。

   • 局限：耗时、破坏样品、对修饰氨基酸不友好。

2. 质谱法：

   • 原理：直接从单个珠子或微量样品进行MALDI-TOF MS分析。通过精确分子量推断序列，或结合串联质谱进行序列解析。

   • 现代主流：快速、灵敏、高通量。

3. 化学编码与标签法：

   • 原理：在合成肽链的同时，向树脂珠引入一个化学标签（如寡核苷酸、小分子编码）。该标签的“序列”与氨基酸的加入顺序相对应。

   • 流程：筛选到活性珠子后，通过解码标签（如测序DNA或分析小分子）来反推肽序列。

   • DNA编码库：这是目前最强大的技术，将化合物的结构信息以DNA序列的形式存储，通过高通量测序解码，极大地扩展了库容量和筛选效率。

五、肽库的设计与应用演进

1. 库设计策略：

• 全随机库：在特定位置使用所有20种氨基酸，探索全局化学空间。

• 偏向性/聚焦库：基于已知的活性母核，在关键位置使用有限的、化学性质多样的氨基酸子集（如带正电、疏水、芳香族），进行智能化的局部探索。

• 非天然氨基酸库：引入D-型氨基酸、N-甲基化氨基酸等，探索传统空间之外的活性与稳定性。

2. 应用场景：

• 药物先导物发现：筛选针对疾病靶标（如GPCR、激酶、离子通道）的激动剂、拮抗剂或抑制剂。

• 表位定位：确定抗体或受体识别的关键肽段。

• 催化剂筛选：寻找具有酶活性的多肽。

• 材料科学：筛选具有自组装或特定物理化学性质的肽段。

六、未来趋势：从“大海捞针”到“精准垂钓”

早期的组合化学强调“库越大越好”。如今，趋势已转向：

1. 数据驱动的理性设计：利用机器学习分析现有活性数据，预测并设计更可能具有活性的下一代库，实现迭代优化。

2. DNA编码库的统治：将化学合成与生物扩增、测序技术结合，库容量可达百亿级，彻底改变了先导物发现的游戏规则。

3. 动态组合化学：在生物靶标存在下进行库的组装，让靶标主动选择并富集其最佳配体。

结论

高通量与组合化学，是将多肽合成的“分子复制”能力指数级放大的系统工程技术。平行合成提供了清晰、定量的构效关系图谱，而混合-裂分法则打开了探索浩瀚化学空间的大门。随着解码技术（尤其是质谱与DNA编码）的成熟，组合化学已从一种产生海量化合物的蛮力工具，演变为一个集理性设计、高效合成、智能筛选与解码于一体的闭环发现引擎。掌握这些技术，意味着能够系统性地询问生物学问题，并从分子宇宙中快速、高效地召唤出答案，极大地加速了从生物学靶点到治疗候选物的转化历程。

南京肽业YM说多肽|高通量与组合化学：平行合成、混合-裂分法构建肽库的技术与应用