Fast and selective labeling of N-terminal cysteines at neutral pH via thiazolidino boronate formation

Bandyopadhyay, Anupam; Cambray, Samantha; Gao, Jianmin

doi:10.1039/c6sc00172f

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“…Despite the fast kinetics, this conjugation reaction remains less ideal for biological applications due to the poor stability and cytotoxicity of phenylhydrazine ( vide infra ), in addition to the high reactivity of 2-FPBA toward endogenous cysteines. 14 Herein we report the fast diazaborine formation of semicarbazide, which shows much improved stability in biological milieu. Importantly, we demonstrate that semicarbazide readily conjugates with not only 2-FPBA, but also the ketone analogue 2-acetylphenylboronic acid (2-APBA), which avoids the interference of endogenous cysteines.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 94%

Fast Diazaborine Formation of Semicarbazide Enables Facile Labeling of Bacterial Pathogens

2017

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Bioorthogonal conjugation chemistry has enabled the development of tools for the interrogation of complex biological systems. Although a number of bioorthogonal reactions have been documented in literature, they are less ideal for one or several reasons including slow kinetics, low stability of the conjugated product, requirement of toxic catalysts, and side reactions with unintended biomolecules. Herein we report a fast (>103 M−1s−1) and bioorthogonal conjugation reaction that joins semicarbazide to an aryl ketone or aldehyde with an ortho-boronic acid substituent. The boronic acid moiety greatly accelerates the initial formation of a semicarbazone conjugate, which rearranges into a stable diazaborine. The diazaborine formation can be performed in blood serum or cell lysates with minimal interference from biomolecules. We further demonstrate that application of this conjugation chemistry enables facile labeling of bacteria. A synthetic amino acid D-AB3, which presents a 2-acetylphenylboronic acid moiety as its side chain, was found to incorporate into several bacterial species through cell wall remodeling, with particularly high efficiency for Escherichia coli. Subsequent D-AB3 conjugation to a fluorophore-labeled semicarbazide allows robust detection of this bacterial pathogen in blood serum.

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Section: Introductionmentioning

confidence: 94%

Fast Diazaborine Formation of Semicarbazide Enables Facile Labeling of Bacterial Pathogens

2017

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“…4–10 Alternative modifications at the N-terminus 111 often rely on participation from the associated side-chain functional group; reactions that engage ionizable residues (e.g., Cys) are common (entries 47 and 48), 83–85 as are examples that employ aromatic (entry 56) 94,95 and other nucleophilic side chains (e.g., Ser and Thr). 89 The formation of heterocycles is a common approach (entries 47–49, 51, 53, and 56) 83–86,89,91,94,95 as is N-terminal oxidation and further diversification (entries 50 and 51).…”

Section: C-terminus and N-terminusmentioning

confidence: 99%

Residue-Specific Peptide Modification: A Chemist’s Guide

2017

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Advances in bioconjugation and native protein modification are appearing at a blistering pace, making it increasingly time consuming for practitioners to identify the best chemical method for modifying a specific amino acid residue in a complex setting. The purpose of this perspective is to provide an informative, graphically rich manual highlighting significant advances in the field over the past decade. This guide will help triage candidate methods for peptide alteration and will serve as a starting point for those seeking to solve long-standing challenges.

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“…[65,66] Die TzB-Bildung ist fürd as zentrenselektive Labeling natürlicher,p roteinogener Aminosäuren sehr vorteilhaft, da unter anderem keine Notwendigkeit besteht, eine nichtnatürliche Aminosäure in das POI einzuführen. [65,66] Die TzB-Bildung ist fürd as zentrenselektive Labeling natürlicher,p roteinogener Aminosäuren sehr vorteilhaft, da unter anderem keine Notwendigkeit besteht, eine nichtnatürliche Aminosäure in das POI einzuführen.…”

Section: Reversible Thiazolidinboronat(tzb)-bildungunclassified

“…[65,66] Die TzB-Bildung ist fürd as zentrenselektive Labeling natürlicher,p roteinogener Aminosäuren sehr vorteilhaft, da unter anderem keine Notwendigkeit besteht, eine nichtnatürliche Aminosäure in das POI einzuführen. [65] Ihr innovativer Ansatz basiert auf der selektiven Bildung eines Thiazolidins zwischen N-terminalem Cystein und Aldehyden, [68] welche jedoch eine niedrige Geschwindigkeitskonstante besitzt und nur bei niedrigem pH-Wert stattfindet. [27,67] Obwohl zahlreiche Berichte existieren, die sich dieses Konzepts mithilfe generell unselektiver Methoden [2] bedienen, besteht eine der selektivsten Mçglichkeiten in der Adressierung eines N-terminalen Cysteinrestes,w ie es beispielsweise bei der nativen chemischen Ligation [3] und bei aromatischen Cyaniden [4] oder Aldehyden [5] der Fall ist.…”

Section: Reversible Thiazolidinboronat(tzb)-bildungunclassified

Boronsäuren als bioorthogonale Sonden für zentrenselektives Protein‐Labeling

Akgun¹,

Hall²

2018

Angewandte Chemie

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In den vergangenen zwei Jahrzehnten hat sich die bioorthogonale Chemie zu einem beliebten Hilfsmittel entwickelt, um zentrenselektive Modifikationen an Proteinen zu erzielen. Dennoch sind nur einige wenige bioorthogonale Reaktionen bekannt, die zudem Limitierungen aufweisen können, wie etwa geringe Reaktionsgeschwindigkeiten, die Verwendung instabiler oder zytotoxischer Reagenzien und das Auftreten von Nebenreaktionen. Folglich besteht ein großes Interesse an der Erweiterung der Methodik in der bioorthogonalen Chemie. In diesem Zusammenhang wurden kürzlich Boronsäuren in den Bereich der bioorthogonalen Chemie eingeführt, welche in drei verschiedenen Strategien zum Einsatz kommen: 1) Bildung eines Boronsäureesters zwischen der Boronsäure und einem 1,2‐cis‐Diol; 2) Bildung eines Iminoboronates zwischen 2‐Acetyl‐/Formyl‐Arylboronsäure und Hydrazin‐/Hydroxylamin‐/Semicarbazid‐Derivaten; 3) Verwendung einer Boronsäure als Transfergruppe in einer Suzuki‐Miyaura‐Kreuzkupplung oder einer anderen Reaktion, in deren Verlauf die Boronylgruppe das Intermediat verlässt. In diesem Aufsatz fassen wir die Fortschritte der Anwendung von Boronsäuren in der bioorthogonalen Chemie zusammen, welche das zentrenspezifische Labeling von Proteinen ermöglicht, und vergleichen diese Methoden mit den gängigsten bioorthogonalen Reaktionen.

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Fast and selective labeling of N-terminal cysteines at neutral pH via thiazolidino boronate formation

Abstract: Facile labeling of proteins of interest is highly desirable in proteomic research as well as in the development of protein therapeutics.

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Fast Diazaborine Formation of Semicarbazide Enables Facile Labeling of Bacterial Pathogens

Fast Diazaborine Formation of Semicarbazide Enables Facile Labeling of Bacterial Pathogens

Residue-Specific Peptide Modification: A Chemist’s Guide

Boronsäuren als bioorthogonale Sonden für zentrenselektives Protein‐Labeling

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