A kombinatorikus kémia olyan kémiai szintézismódszeren alapul, amelyek lehetővé teszi nagyszámú (több millió, akár több milliárd) vegyület előállítását egyetlen folyamatban. Az ezúton képződő vegyülettárak lehetnek vegyületkeverékek, lehetnek egyedi vegyületek halmazai és lehetnek számítógépes szoftverrel előállított kémiai szerkezetek is. A kombinatorikus szintézist általában peptidek vagy egyéb kismolekulás szerves vegyületek szintézisére használják. A kombinatorikus kémia részét képezik azok az eljárások is, amelyek lehetővé teszik a tárak szűrését, azaz a tárak biológiailag hatásos összetevőinek azonosítását. A kombinatorikus módszereket a kémián kívül is alkalmazzák.

Története

A kombinatorikus kémiát Furka Árpád professzor (Eötvös Loránd Tudományegyetem) találta fel, aki egy 1982-ben közjegyző által hitelesített dokumentumban leírta a szintézis elvét, a és a biológiailag hatásos vegyületek azonosításának egyik lehetséges módját.Furka Á. Tanulmány, gyógyászatilag hasznosítható peptidek szisztematikus felkutatásának lehetőségéről (and Study on the possibility of systematic searching for pharmaceutically useful peptides https://mersz.hu/mod/object.php?objazonosito=matud202006_f42772_i2 A kombinatorikus módszer elve a következő: többkomponensű vegyülettárakat (kombinatorikus vegyülettár, angolul combinatorial library) szintetizálunk egyetlen lépésben és ugyancsak egy lépésben szűrés révén állapítjuk meg, hogy a tár komponensei közül melyeket lehet gyógyszer jelöltnek vagy egyéb hasznos vegyületnek tekinteni.. A kombinatorikus módszer legfontosabb újítása a keverékek alkalmazása a szintézisben és a szűrésben, mert ez biztosítja a folyamat rendkívül nagy termelékenységét. A találmányhoz vezető motivációkat egy 2002-es publikáció tartalmazza.Furka Á (2002). Combinatorial Chemistry 20 years on… Drug DiscovToday 7; 1-4.

A kombinatorikus megosztásos-keveréses szintézis (angolul split and pool) balra|bélyegkép|286x286px|A megosztásos-keveréses szintézis folyamatábrája. A zöld köröcskék jelentik a hordozót, a piros, a sárga és a kék köröcskék aminosavak. A széttartó nyilak megosztást, a függőlegesek kapcsolást, az összetartóak keverést jelentenek jobbra|bélyegkép|278x278px|A harmadik és a negyedik ciklusban képződő peptidek A kombinatorikus megosztásos-keveréses szintézisFurka Á, Sebestyén F, Asgedom M, Dibó G. Cornucopia of peptides by synthesis. In Highlights of Modern Biochemistry, Proceedings of the 14th International Congress of Biochemistry.  VSP.Utrecht.1988; 5; p. 47.Á. Furka, F. Sebestyen, M. Asgedom, G. Dibo, General method for rapid synthesis of multicomponent peptide mixtures. Int. J. Peptide Protein Res., 1991, 37, 487-493. a Merrifield által kifejlesztett szilárd fázisú szintézisen alapul.Merrifield RB, 1963 J. Am. Chem. Soc. 85, 2149. Ha például egy kombinatorikus peptidtárat 20 aminosav felhasználásával szintetizálnak, a szilárd hordozó szemcséit 20 egyenlő részre osztják. Ezt követi az egyes részekhez más-más aminosav kapcsolása. A harmadik lépés az összes rész összekeverése. Ez a három lépés egy ciklust foglal magában. A peptidláncok meghosszabbítása megvalósítható a ciklus lépéseinek egyszerű megismétlésével. A megosztásos-keveréses kombinatorikus szintézis folyamatábrája

Az eljárást egy dipeptidtár szintézisével szemléltetjük, amely mindkét ciklusban ugyanazt a három aminosavat használja építőelemként. Ennek a tárnak minden komponense két aminosavat tartalmaz, amelyek különböző sorrendben vannak egymáshoz kapcsolva. A kapcsolásokban használt aminosavakat sárga, kék és piros körök jelölik az ábrán. Az elágazó nyilak a szilárd hordozó (zöld körök) egyenlő részekre történő osztását mutatják, a függőleges nyilak az összekapcsolást, az összetartó nyilak pedig a hordozó részeinek keverését és homogenizálását jelentik.

Az ábrán látható, hogy a két szintetikus ciklusban 9 dipeptid képződik. Ha egy harmadik és negyedik ciklust is végrehajtanánk, 27 tripeptid és 81 tetrapeptid képződne. A megosztásos-keveréses szintézis számos kiemelkedő tulajdonsággal rendelkezik:

• Nagyon hatékony. Amint az ábrán látható, a szintetikus folyamatban képződő peptidek száma (3, 9, 27, 81) exponenciálisan növekszik a végrehajtott ciklusok számával. Minden szintetikus ciklusban 20 aminosavat használva a képződött peptidek száma: 400, 8000, 160000 és 3200000. Ez azt jelenti, hogy a peptidek száma exponenciálisan növekszik a végrehajtott ciklusok számával.

• A folyamat során az összes peptidszekvencia keletkezik, amely a ciklusokban használt aminosavak kombinációjából következtethető.

• A hordozó egyenlő mintákra történő felosztása biztosítja a tár komponenseinek közel azonos moláris mennyiségben történő képződését.

• A hordozó minden szemcséjén csak egyetlen peptid képződik. Ez annak a következménye, hogy csak egy aminosavat használunk a kapcsolási lépésekben. Teljesen ismeretlen azonban, hogy melyik peptid foglal el egy kiválasztott hordozószemcsét. Az olyan tárakat, amelynek hordozójáról a vegyületek nincsenek lehasítva Egy-Szemcse-Egy-Vegyület (angol rovidítéssel OBOC) táraknak nevezik.

• A megosztásos-keveréses módszer alkalmazható bármilyen szerves vegyülettár szintézisére, amely építőelemeiből lépésenként állítható elő.

1990-ben három csoport ismertette a peptidtárak biológiai módszerekkel történő előállításának módszereit,J. J. Devlin, L. C. Panganiban and P. E. Devlin Science 1990, 249, 404. majd egy évvel később Fodor és munkatársai figyelemreméltó módszert publikáltak peptidtárak szintézisére kis üveglemezek felületén.Fodor SP, Read JL, Pirrung MC, Stryer L, Lu AT, Solas D, 1991. Light-directed, spatially addressable parallel chemical synthesis. Science 251, 767-73.

Mario Geysen és munkatársai egy "párhuzamos szintézis" módszert fejlesztettek ki peptidtárak előállítására.H. M. Geysen, R. H. Meloen, S. J. Barteling Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1984, 81, 3998.  96 peptidet szintetizáltak műanyag pálcákon (tűkön), amelyek végei szilárd hordozóval voltak bevonva be. A kapcsolásokat úgy végezték, hogy tűket egy mikrotiter lemez üregeibe helyezett reagensek oldatába merítették. Az eljárást széles körben alkalmazzák. Az automatikus párhuzamos szintetizátorok ezen az eljáráson alapulnak. Bár a párhuzamos módszer sokkal lassúbb, mint a valódi kombinatorikus, előnye, hogy pontosan ismert, hogy az egyes tűkön melyik peptid vagy más vegyület keletkezik.

További eljárásokat fejlesztettek ki az megosztásos-keveréses és a párhuzamos szintézis előnyeinek kombinálására. A két csoport által leírt módszerbenE. J. Moran, S. Sarshar, J. F. Cargill, M. Shahbaz, A Lio, A. M. M. Mjalli, R. W. Armstrong J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 10787.K. C. Nicolaou, X –Y. Xiao, Z. Parandoosh, A. Senyei, M. P. Nova Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1995, 36, 2289. a szilárd hordozót félig áteresztő falú műanyag kapszulákba zárják, egy rádiófrekvenciás címkével együtt, amely a kapszulában képződő vegyület kódját hordozta. Az eljárást hasonló módon hajtották végre a megosztásos keverékes módszer. A megosztási lépésben azonban a kapszulákat a kapszulák rádiófrekvenciás címkéiből leolvasott kódok szerint osztották el a reakcióedények között. Furka és munkatársai ugyanerre a célra egy másik módszert dolgoztak ki,Á. Furka, J. W. Christensen, E. Healy, H. R. Tanner, H. Saneii J. Comb. Chem. 2000, 2, 220. amelyet "zsinórszintézisnek" neveznek. Ennél a módszernél a kapszulák nem hordoztak kódot. Úgy vannak felfűzve, mint a gyöngyök egy nyakláncba, és felfűzve helyezik a reakcióedényekbe. A kapszulák azonosságát, valamint a tartalmukat a zsinórokon elfoglalt helyzetük mutatja. Minden egyes kapcsolási lépés után a kapszulákat meghatározott szabályok szerint újra elosztják az új zsinórok között.

A biológiailag hatásos összetevők azonosítása

Kombinatorikus vegyülettárak

A kombinatorikus vegyülettárak kis molekulájú kémiai vegyületek speciális többkomponensű keverékei, amelyeket egyetlen lépésben szintetizálnak. Különböznek az egyes vegyületek gyűjteményeitől, valamint a párhuzamos szintézissel előállított vegyületek sorozatától. Fontos jellemzőjük, hogy a szintézisükben keverékeket használnak. A keverékek használata biztosítja a folyamat nagyon magas hatékonyságát. Mindkét reagens lehet keverék, és ebben az esetben az eljárás még hatékonyabb lenne. Gyakorlati okokból azonban tanácsos a megosztásos-keveréses módszert használni, amelyben a két keverék egyikét egyetlen építőelemre (blokkra) cserélik. A keverékek annyira fontosak, hogy nincsenek kombinatorikus tárak anélkül, hogy a szintézisben keveréket használnának, és ha keveréket használnak egy eljárásban, elkerülhetetlenül kombinatorikus vegyülettárak keletkeznek. A megosztásos-keveréses szintézist általában szilárd hordozó segítségével valósítják meg, de megoldható oldatban is. Mivel a tárak komponensei ismeretlenek, a szűrések során olyan módszereket kell alkalmazni, amelyek lehetővé teszik a hatásos komponens azonosítását. A kombinatorikus tárak egyik legfontosabb jellemzője, hogy a teljes keverék szűrése egyetlen folyamatban megvalósítható. Ez teszi ezeket a vegyülettárakat nagyon hasznossá a gyógyszerkutatásban. A teljes kombinatorikus tárak részleges tárai is szintetizálhatók és vizsgálhatók. Némelyikük hatékony szerepet tölthet be a hatásos vegyület azonosításában.A. Furka Sub-Library Composition of Peptide Libraries. Potential Application in Screening. Drug Development Research 33, 90-97 (1994).

A szilárd hordozóról lehasított tárak szűrése

Ha a kombinatorikus tár szintetizált molekuláit lehasítjuk a szilárd hordozóról, oldható keverék képződik. Az ilyen tárakban több millió különböző vegyület lehet. Amikor ezt a szintetikus módszert kifejlesztették, először lehetetlennek tűnt a molekulák azonosítása és hasznos tulajdonságokkal rendelkező molekulák megtalálása. A probléma megoldására azonban stratégiákat dolgoztak ki, amelyek lehetővé tették a hasznos komponensek azonosítást. Mindezek a stratégiák részleges vegyülettárak szintézisén és tesztelésén alapulnak. A legkorábbi iteratív stratégiát Furka fentebb említett, 1982-ben közjegyző által hitelesített dokumentuma tartalmazza visszakeresés néven. A módszert később Erb et al. is publikálta „Rekurzív dekonvolúció” névenErb E, Janda KD, Brenner S (1994) Recursive deconvolution of combinatorial chemical libraries Proc. Natl Acad Sci.USA 91; 11422-11426. balra|bélyegkép|350x350px|Visszakeresés. Kék, sárga és piros körök: aminosavak, zöld kör: szilárd hordozó

Visszakeresés

A módszert az ábra teszi érthetővé. Egy 27 tagú peptidtárat szintetizálnak három aminosavból. Az első (A) és második (B) ciklus után a mintákat összekeverés előtt félreteszik. A harmadik ciklus (C) termékeit összekeverés előtt lehasítják, majd aktivitásukat tesztelik. Tegyük fel, hogy a + jellel jelölt csoport aktív. Minden tagnak van „vörös” aminosavja az utolsó kapcsolási pozícióban. Következésképpen az aktív tag is rendelkezik a „vörös” aminosavval az utolsó kapcsolási pozicióban. Ezután a „vörös” aminosavat a második ciklus (B) után félretett három mintához kapcsolják, és a D mintákhoz jutnak. A hasítás után a három E minta keletkezik. Ha ezek tesztelése után a +-val jelölt minta az aktív, akkor azt mutatja, hogy a kék aminosav az aktív komponensben a második kapcsolási poziciót foglalja el. Ezután a három A mintához először a kék, majd a piros aminosavat kapcsolnak (F), majd hasítás után újra tesztelik (G). Ha a + komponens aktívnak bizonyul, akkor az aktív komponens aminosav sorrendjét H mutatja.

Pozíciószűrés