Il ruolo della Chimica e della Fisica per le Scienze della ... · Sintesi Peptidica su Fase Solida...

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Il ruolo della Chimica e della Fisicaper le Scienze della Vita:

Il loro contributo allo sviluppo diuna diagnostica innovativa.

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LaboratorioLaboratorio InterdipartimentaleInterdipartimentale didiChimicaChimica e e BiologiaBiologia didi PeptidiPeptidi e e ProteineProteine

Polo Polo ScientificoScientifico e e TecnologicoTecnologico didi Sesto Sesto FiorentinoFiorentino

UniversitUniversitàà didi FirenzeFirenze

Prof. Anna Maria Papini, Prof. Anna Maria Papini,

Mondo Macroscopico Mondo Molecolare

Lewis Carroll, Through the looking-glass, Penguin Books, London, 1998 Illustrations by John Tenniel

Cais do Sodre Metro Station Lisboa, Antonio Dacosta

Gentilemente concessodal Pr. M. Verdaguer a OpenLab

Studio dei meccanismi molecolaridi condizioni fisiologiche e patologiche

Composizione chimica di una tipica cellula eucariota

50% delle proteine sono modificate!

COMPLESSITA’ BIOLOGICA

Da 30.000 geni umani

300.000 – 3.000.000 forme distinte di proteine

Mondomacroscopico

Mondomolecolare

metro … nano metro …

mole … molecola …

1 / 1 000 000 000 = 10 - 9

110+23

Studio dei meccanismi molecolaridi condizioni fisio-patologiche

Hermann Emil Fischer

Berlin University, Germany.b. 1852; d. 1919

1899: Fischer inizia a lavorare sulla chimica delle proteine

Peptidedal Greco πεπτος (digeribile)

Proteinadal Greco πρώτα (di primaria importanza)

1899: isola via idrolisi di alcune proteine tre amminoacidi (valina, prolina, idrossiprolina)

GLYCINE (Gly, G); MW=75.07g/mol (Aminoethanoic acid)

It’s the first time in which a pure amino acid was obtained from a protein by acid hydrolysis.He boiled gelatin with sulfuric acid for 5 hours, neutralized the acid with calcium carbonate, evaporated the filtrate from the calcium sulfate to a syrup and left it to stand for about a month. At the end of this time there was crystals that possessed a sweet taste: he thought that the product was a sugar so he named it “sucre de gélatine”

1820: “Sur la conversion des matières animales en nouvelles substances par le moyen de l’acide sulfurique”

Henri Braconnot (1780-1855)

1846: experimental data in support of the correct composition of glycine (C2H5NO2) after studies on “sucre de gélatine” also called “leimzucker”

E. N. Horsford A. LaurentG. J. Mulder

LYSINE (Lys, K); MW=146,16g/mol (2,6-diaminohexanoic acid)

1873: “Ueber die Proteinstoffe”

H. Hlasiwetz (1825-1875),

H2N CH C

(CH2)4

He hydrolyzed casein by boiling with hydrochloric acid in the presence of stannous chloride, removed the tin, crystallized out the glutaminicacid hydrochloride crude and then diluted the sirup mother liquor and treated it with phosphotungstic acid. The heavy precipitate was decomposed with barium hydroxide, the excess of this reagent wascarefully precipitated and the solution was acidified with hydrochloric acid and concentrated to a sirup. After crystallization, it was redissolvedand the solution was diluted with alcohol and ether. At the end he found the chloroplatinate salt that crystallize in long prisms.

Heinrich Ferdinand Edmund Drechsel (1843-1897 )

1889: “Zur Kenntniss der Spaltungsprodukte des Caseins”

J. Habermann (1841-1914)

Glicosilazione

Lipidazione

Fosforilazione

Metilazione

Chelazione di ioni metallici

Deimminazione

Solfatazione

H-Leu-(Gly)3-Leu-(Gly)3-Leu-(Gly)8-Gly-OH

OH2N COOH

Elongazione della catena peptidica nella direzione C N

utilizzando cloruri di α-alogeno acidi

Fischer E., Otto E. Ber. Dtsch. Chem. Ges., 1903, 36, 2106-2116; Fischer E. Ber. Dtsch. Chem. Ges., 1907, 40, 1754-1767.

1903: Fisher riesce a sintetizzare e caratterizzareil primo polipeptide costituito da 18 amminoacidi legati tra loro

mediante legame peptidico(legame ammidico)

A cosa porta la sintesi chimica di un dipeptide se non sono protette le funzioni che sono ugualmente reattive e che non vogliamo far reagire?

Una miscela di almeno 4 prodotti

Vincent Du Vigneaud

Cornell University Ithaca, NY, USA b. 1901; d. 1978*Stimola la contrazione uterinanel corso del travaglio

*Stimola la produzione di latte

*Favorisce il comportamento materno

Premio Nobel per la Chimica 1955

“Per l’isolamento la caratterizzazione e la prima sintesi dell’ormone polipetidico Ossitocina”

(1949-1953)

Primo Premio Nobel per la Chimica nel1958

“per il suo lavoro sulla struttura delle proteine, e in particolare dell’insulina”

Frederick Sanger

University of Cambridge, United Kingdom b. 1918

Secondo Premio Nobel per la Chimica nel 1980 per aver contribuito alla comprensione delle sequenze di basi negli acidinucleici insieme a W. Gilbert e P. Berg (DNA recombinante)

J. Amer. Chem. Soc., 85, 2149-2154 (1963).

Robert B. Merrifield

Rockeffeller University, New York, NY, USA. b. 1921-2004

“per lo sviluppo e la messa a punto della metodologia di sintesi chimica di peptidi su supporto solido"

Sintesi Peptidica su Fase solida

Polimero solido con un gruppo capace di ancorare l’ultimo

amminoacido della sequenza

Accoppiamento del primo amminoacido protetto sulla

funzione amminica

Deprotezione selettiva del gruppo otettore della funzione amminica

che deve reagire con la funzione carbossilica dell’amminoacido da

introdurre

Accoppiamento del successivo

amminoacido protetto sulla funzione amminica

Ripetizione per n-volte dei cicli di deprotezione e

accoppiamento (elongazione della catena)

OHNH O

Distacco del peptide desiderato dalla resina

e deprotezione delle catene laterali

Sintesi Peptidica su Fase Solida

Direzione C NNα-Protecting groupHN

Distacco finale del peptide dal supporto solido e contemporaneadeprotezione delle catenelaterali degli amminoacidi

Side chainprotecting group

ResinLinker

Nα-Protecting groupHN C

ResinLinker

H2N CH

ResinLinker

N CHXm

ResinLinkerNα-Protecting group N CH

OHH2N CH

Repetitive cycles1) Protected amino acid2) Coupling reagent3) Deprotction of the N-alpha

Ancoraggio del primo amminoacido ad un

suporto solido

Cicli Ripetitivi

Robert B. Merrifield e il suo primo prototipo di sintetizzatore automatico di mini-proteine (peptidi)

Automatic batch multiple solid-phase synthesizer

Semi-automatic continuous-flow peptide synthesizer

Manual batch solid-phase synthesizer with heating control

Microwave unit

Analytical HPLC units

Semi-preparative HPLC units

SintesiSintesi e e PurificazionePurificazione

Piattaforma Technologicadi peptidi e proteine

......

Foglietti β

α-Elica

Contributo della fisica allo studiodelle interazioni tra materia e radiazioni

Per ottenere informazioni

sulla struttura tridimensionale delle

proteine

3D 3D StructureStructure ofofInsulinInsulin

In riconoscimento degli straordinari servigi resi per la scoperta dei rimarcabili RAGGI che hanno preso il suo nome (successivamente chiamati Raggi-X)

Wilhelm Conrad Röntgen

Primo Premio Nobel per la Fisica 1901

From Nobelprize.org. 17 Mar 2011

Charles Hard Townes

"for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser‐laser principle"

Nicolay Gennadiyevich Basov Aleksandr Mikhailovich Prokhorov

Premio Nobel per la Fisica 1964

Maser:"microwave amplification by stimulated emission of radiation“The word "laser“ replaces "microwave" by "light".

Basato sul concetto di emissione stimolataintrodotto da Einstein nel 1917

John B. Fenn Koichi Tanaka Kurt Wüthrich

"Per lo sviluppo di metodi per l’identificazione e le analisi della struttura di macromolecole biologiche"

Prize motivation: "for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique"

John L. HallRoy J. Glauber Theodor W. Haensch

“For his contributionto the quantum theory of opticalcoherence”

Premio Nobel per la Fisica 2005“Nuova luce sulla moderna ottica”

NMR (NMR (11H, H, 1313C, C, 1919F, F, 3131P, MASP, MAS--NMR)NMR)

GC (Focus, GC (Focus, ThermoThermo))

HPLCHPLC

LCLC--MS (MS (SurveyorSurveyor, , ThermoThermo))

ESIESI--MS (LCQ MS (LCQ AdvantageAdvantage, , ThermoThermo))

APCIAPCI--MS (LCQ MS (LCQ AdvantageAdvantage, , ThermoThermo))

CaratterizzazioneCaratterizzazione molecolaremolecolarePiattaforma Technologica

di peptidi e proteine

QTof Waters for nanoLC-MS/MS

High-technological platform: Molecule characterization

Piattaforma Technologicadi peptidi e proteine

CitofluorimetroCitofluorimetro

Microscopio ConfocaleMicroscopio Confocale

CaratterizzazioneCaratterizzazione cellularecellulare

Determinazioni strutturali (raggi x / NMR)Separazione e sequenziamento (LC-MS)

Peptidi sintetici per saggi di affinità

NATURE MEDICINE 8(11): 1263, 2002

Fig. 1 - High-resolution Fourier-transformion cyclotron resonance mass spectroscopy(FT-ICR-MS).

THE LANCET 335: 735, 2000

Anticorpi monoclonali terapeuticiQualche esempio...

BIOPOLYMERS (PEPT. SCI.) 66: 200, 2002

SEMIN. ONCOL. 29: 494, 2002

Anticorpi monoclonali terapeutici

Vaccini terapeutici anti cancro

PEPTIDI come PRODOTTI FARMACEUTICI approvatidalla Food & Drug Administration

First Generation Second Generation New Generation Oxytocin Carbetocin AbarelixACTH (1-24) & (1-39) Terlipressin CetrorelixVasopressin Felypressin GanirelixInsulin Buserelin IntegrilinGlucagon Deslorelin BivalirudinCalcitonins Goserelin CopaxoneTRH Histrelin Techtide P-289Gonadorelin Leuprolide CubicinSomatostatin Nafarelin EnfurvirtideGHRH (1-29) & (1-44) Tryptorelin ZiconotideCRF (Human & Ovine) Lecirelin PramlintideCyclosporin Lanreotide ExenatideThymopentin OctreotideThymosin Alpha-1 AtosibanSecretins (Human & Porcine) DesmopressinParathyroid Hormone (1-34) & (1-84) PitressinVasoactive Intestinal Polypeptide LypressinBrain Natriuretic Peptide OrnipressinCholecystokinin ACE InhibitorsTetragastrin (Enalapril, Lisinopril)Pentagastrin HIV Protease InhibitorsEledoisin

Biomarker

‘Decision-Making Tools’ particolarmente importanti nel processo di validazione di Trattamenti Terapeutici

Innovativi e personalizzati

Una qualsiasi misurazione che predica una condizione patologica di un paziente o la risposta ad una terapia e quindi avente un putativo valore diagnostico e/o prognostico

Antigene or Anticorpo

Le proteine possono essereaberrantemente modificate e scatenare una risposta

del sistema immunitario

Infezioni Virali o Batteriche

Caratterizzazione di autoanticorpi nel siero di pazienti come Biomarkers di malattia

Gli autoanticorpi riconoscono peptidi cortinegli antigeni proteici

Test basati su peptidi (epitopi lineari o conformazionali)

Conformeri a più bassa energia.Regioni di β-turn e β-strand sono evidenziate come ribbon

Type I β-turn[Pro7,Asn8(Glc),Thr10]CSF114

IC50 11.8 nM

J. Med. Chem. 200649, 5072.

Type I’ β-turnCSF114(Glc)

IC50 137 nM

Peptidi mimetici della porzione di proteina modificata aberrantemente

Standardizzazione di test diagnostici/prognostici

Per monitorare le malattie

Per valutare l’efficacia ditrattamenti terapeuticipersonalizzati e innovativi(alternativa a test suglianimali)

Disegnare & sviluppare sonde sintetiche per identificare autoanticorpi nel siero di pazienti

affetti da malattie autoimmuni

MS Abs

Chemistry Today (2007) 25, 3, 14-16.

Innovative“Chemical Reverse Approach” to autoepitomics

Diagnostic/prognostic assays based on Synthetic Antigenic Probes

PTM Current Prot. & Pept. Sci. (2003) 4, 277-284.

Specificity & High Affinity

Sensitivity

J. Med. Chem. (2001), 44, 2378-2381.Zervas Award 2008

The glycopeptide antigen selected for the development of MS PepKit

A diagnostic/prognostic testto monitor Multiple Sclerosis

Ribbon diagram of the lowest energyconformer of 200 calculated structures

derived from NMR data

(Insight II Software, Biosym, San Diego)

Asn(Glc)

The minimal epitope recognized

CSF114(Glc)Multiple Sclerosis Antigenic Probe

Granted USA & Australian Patent (n. 2002316989) .PCT WO 2003000733. Priority data FI2001A00011Inventors: A.M. Papini, P. Rovero, M. Chelli, F. Lolli

Applicant: University of Florence. Nature Medicine (2005) 11, 13.Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. (2005) 102, 10273-10278.

J. Neuroimmunol. (2005) 167, 131-137.Neurology (2005) 65(5), 781-782.

SP-ELISA

Supportosolido

Adsorbimentodel peptide

Aggiunta del sieroche contiene

Anticorpi

Rimozionedelle molecole

che non sisono legate

Anti-Ig-antisiero +

enzima

Sviluppo diuna reazionecolorimetrica

Test Immunochimico su fase solidaEnzyme Linked ImmunoSorbent Assay (ELISA)

β-hairpin quale antigene peptidicoche riconosce anticorpi con elevata

specificità e affinità

The BioPlex suspension array system incorporates laser flow technology to analyze reactants in a microtiter format

Bioplex per la caratterizzazione di autoanticorpi

Peptide

Test per misurare Anticorpi anti-CCP usato per la diagnosi e la prognosi dell’Artrite Reumatoide

Artrite Reumatoide

Anticorpi contro FattoriReumatoidi forti indicatori

di malattia ma markers non specifici

Nelle giunture presenza diPAD e produzione in situ di anticorpi anti-filaggrina

citrullinata

Anticorpi contro FattoriReumatoidi forti indicatori

di malattia ma markers non specifici

Nelle giunture presenza diPAD e produzione in situ di anticorpi anti-filaggrina

citrullinata

Artrite Reumatoide

Citrullinazione(PAD- Peptidilarginina deimminasi)

Test per identificare Anticorpi anti-CCP usato per la diagnosi e la prognosi dell’Artrite Reumatoide

NH2+PADIs 4

Arginine avec charge + Citrulline

Citrullinazione(PAD- Peptidilarginina deimminasi)

Clinical Research / Literature/SMEs

Modeling, ChemistryDesign & Synthesis

Diagnostic DeviceDevelopment

Patient

Il segreto: azioni sinergicheProgetti multidisciplinari “from bench to bedside”

• Improved quality of Healthcare Services

•Rationalization of Research Resources

Clinical TrialsGCP

KnowledgeTransfer

CE Certification

Detection & CharacterizationGRP

KnowledgeTransfer

Reverse Approach

Se ho visto più lontano degli altri è grazie ai

giganti sulle cui spalle stavo seduto

I. Newton

Everything that goes on in biologyor medicine has a physical and chemical basis”R. Lerner, Immunologist, Scripps Research Institute, 1998

Vi aspettiamo oggi pomeriggio18 Marzo 2011 alle ore 14 e 30

al Polo Scientifico e Tecnologicodi Sesto Fiorentino

Il ruolo della Chimica e della Fisica per le Scienze della ... · Sintesi Peptidica su Fase Solida...

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