• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Analytisk kemiArtikler fra Dansk Kemi28. 08. 2021 | Heidi Thode

Jagten på bioaktive naturstoffer

Analytisk kemiArtikler fra Dansk Kemi28. 08. 2021 By Heidi Thode

Læs originalartiklen her

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2021 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger her.

Sammenkoblet HPLC-PDA-HRMS-SPE-NMR til hurtig identifikation af bioaktive naturstoffer i komplekse blandinger.

Af professor Dan Stærk, Naturstofkemisk Forskningsgruppe, Institut for Lægemiddeldesign og Farmakologi, Københavns Universitet

Hvis du deltager i Jeopardy og får svaret: “Højtopløselig inhibitions-profilering i kombination med HPLC-PDA-HRMS-SPE-ttNMR”, så skal du stille spørgsmålet: “Hvad er den ultimative sammenkoblede analytisk-skala teknologi, der hurtigt og effektivt kan pinpointe og strukturopklare nye bioaktive naturstoffer i komplekse ekstrakter?”. Det lyder måske som et fjernt fremtidsscenarie, men er ikke desto mindre allerede nu en veludviklet teknologi, der tillader fuld strukturopklaring af komplekse bioaktive naturstoffer direkte fra analytisk-skala HPLC-analyse af komplekse råekstrakter.
Naturen er en rig kilde til bioaktive organiske molekyler, hvilket blandt andet ses ved, at naturstoffer og analoger heraf udgør op mod 70 procent af al medicin inden for visse sygdomsområder [1]. Klassiske og velkendte eksempler på bioaktive naturstoffer er morfin fra opiumsvalmuer (Papaver somniferum), artemisinin fra en Kinesisk bynke (Artemisia annua) og penicillin fra skimmelsvampe (Penicillium spp.) – men der registreres stadig mange nye lægemidler baseret på naturstoffer [1]. Planter og svampe er derfor lovende kilder til nye bioaktive stoffer, og i fremtiden forventes eksempelvis marine organismer og fødevarerestprodukter at blive vigtige klimavenlige kilder til bioaktive stoffer (figur 1).
Ekstrakter af ovennævnte er imidlertid så komplekse, at isolering og strukturopklaring af de aktive indholdsstoffer svarer til at lede efter en nål i en høstak. Således er det ikke usædvanligt, at et råekstrakt af en medicinplante indeholder mere end 100 forskellige stoffer i meget forskellig mængde og i grupper af nært beslægtede analoger, der er svære at adskille. Samtidig er det vigtigt at undgå at analysere allerede kendte stoffer og/eller stoffer, der ikke er bioaktive. I naturstofkemisk forskningsgruppe ved Københavns Universitet har vi udviklet, hvad der i vores øjne er den ultimative sammenkoblede analytiske teknologi til sådanne undersøgelser: højt-opløselig inhibitions profilering/HPLC-PDA-HRMS-SPE-ttNMR. Se faktabokse for forklaring af forkortelser og figur 2 for en skematisk illustration.
Med denne sammenkoblede teknologi får man via én og samme platform i) et biokromatogram, der direkte pinpointer de indholdsstoffer, der er korreleret med bioaktivitet, ii) UV og HRMS-data til dereplikering (det vil sige identifikation af allerede kendte stoffer) og iii) 1D og 2D NMR-spektre til fuld strukturopklaring af nye naturstoffer. Analysen kan således ses som en tretrinsraket, hvor hver proces er vigtig for at løfte den næste:

Første trin i processen starter efter endt udvikling af en analytisk-skala HPLC-metode med tilfredsstillende separation af så mange indholdsstoffer som muligt. HPLC-eluatet mikrofraktioneres i korte konstante tidsintervaller i en eller flere 96-brønds plader. Eluatet fordampes og bioaktiviteten mod det valgte enzym- eller cellulære assay bestemmes. Herefter omregnes resultaterne til procent inhibition og indsættes som funktion af retentionstiderne for de enkelte brønde. Dette resulterer i en højt-opløselig inhibitionsprofil, i daglig tale et biokromatogram, som effektivt tillader lokalisering af de HPLC-peaks, hvor materialet er korreleret med bioaktivitet. Mikrofraktioneringen kan gentages og fraktionerne testes for andre bioaktiviteter. I naturstofkemisk forskningsgruppe laver vi rutinemæssigt polyfarmakologiske biokromatogrammer [2-4]. Den fortsatte kemiske analyse kan derefter målrettes de bioaktive stoffer.

I næste trin foretages en dereplikering baseret på de UV- og HRMS-data, som systemet også genererer. Dereplikering er terminologien for den proces, hvor kendte stoffer identificeres, og i et naturstofkemisk drug discovery-projekt er det en vigtig del af processen for ikke at spilde tid på isolering og strukturopklaring af kendte stoffer, som blot kunne købes hos et kemikaliefirma. Dereplikering kan ske ved at sammenligne lmax og UV-spektre fra PDA-analysen samt bruttoformler for hovedioner og fragmenter fra HRMS-analysen med interne og/eller eksterne databaser. Nyligt er det også inden for naturstoffer blevet muligt med en mere automatiseret dereplikering via Global Natural Products Molecular networking [5], som baserer sig på maskinlæring og kunstig intelligens til at matche eksperimentelle data fra tandem massespektrometri med tilsvarende data i databaser eller gennem generering af teoretiske data ud fra en foreslået struktur.

Det sidste trin omfatter isolering og strukturopklaring af de potentielt nye og bioaktive naturstoffer. Klassisk set er dette sket ved hjælp af præparativ-skala HPLC eller kolonne kromatografi, og har krævet separat metodeudvikling og store mængder ekstrakt og solvent. Men med udvikling af et automatiseret online SPE-system og NMR cryoprober med øget følsomhed, kan dette nu ske direkte fra analytisk-skala HPLC uden yderligere metodeudvikling. Således bruges UV- og/eller HRMS-baserede kromatogrammer fra HPLC-PDA-HRMS-delen af apparaturet til automatisk “opsamling” af de udvalgte analytter på små SPE-kolonner i to racks med 96 SPE-kolonner i hver. Analytterne adsorberes (trappes) på SPE-kolonnerne, fordi den eluotrope styrke af eluatet sænkes ved at blande det med vand efter PDA-detektoren (post-column dilution). For at øge mængden af adsorberet materiale på SPE-kolonnerne gentages separationerne 10-15 gange, hvor de enkelte analytter adsorberes kumulativt på de samme SPE-kolonner. Efter endt trapping af analytterne fra de gentagne injektioner, tørres SPE-kolonnerne med nitrogengas for at fjerne de ikke-deutererede solventer (typisk vand og acetonitril), da disse vil give forstyrrende signaler i NMR-spektrene. Analytterne på de tørrede SPE-kolonner overføres herefter til 1,7-mm NMR-rør ved at eluere SPE-kolonnerne baglæns med et deutereret NMR-solvent. Hele processen med trapping, tørring og eluering af analytter sker automatisk med et integreret online SPE-enhed, og både SPE-kolonner, NMR- rør og NMR autosampleren benytter sig af 96-rack formatet.

Bioaktive indholdsstoffer i hvid morbær
Hvid morbær (Morus alba) bruges som et traditionelt antidiabetisk naturlægemiddel i flere kulturer. Et ethylacetat ekstrakt af rodbark af hvid morbær blev derfor testet for hæmmende virkning mod enzymerne a-glucosidase, a-amylase og protein tyrosin phosphatase 1B samt for antioxidativ aktivitet med henblik på at finde bioaktive indholdsstoffer med mulig antidiabetisk potentiale. HPLC-kromatogrammet samt de fire biokromatogrammer af ethylacetat ekstraktet ses i figur 3. Der ses, at nogle HPLC-peaks er korreleret med peaks i alle fire biokromatogrammer, hvorimod andre HPLC-peaks kun er korreleret med en peak i ét biokromatogram. HPLC-PDA-HRMS-baseret dereplikering viste, at ekstraktet indeholdt en række kendte såvel som nye stoffer biosyntetiseret via en Diels-Alder reaktion mellem prenylerede chalconer og dehydroprenylphenoler [5]. Disse oplysninger blev brugt til at målrette den efterfølgende HPLC-PDA-HRMS-SPE-NMR-analyse mod indholdsstoffer korreleret med bioaktivitet og/eller nye naturstoffer. Dette førte til isolering og strukturopklaring af 18 naturstoffer ved hjælp af UV, HRMS samt 1D og 2D NMR-eksperimenter direkte fra analytisk-skala HPLC. Et par af de komplekse naturstoffer ses i figur 3.

Fremtidig udvikling
Metodeudvikling, generering af biokromatogrammer og HPLC-PDA-HRMS-SPE-NMR-analyse, inklusive optagelse af 2D NMR-spektre for 10-15 stoffer, vil lægge beslag på et par ugers apparaturtid. Det er imidlertid selve strukturopklaringen af de nye komplekse naturstoffer, som er den tidsbegrænsende faktor. Det skyldes, at denne proces, på trods af udvikling af computer-assisteret strukturopklaring, stadig er forholdsvis håndholdt og kræver en erfaren forsker. Ligeledes tillader strukturopklaringen fra HPLC-PDA-HRMS-SPE-NMR-analyser kun tilordning af den relative stereokemi. I fremtiden vil vi derfor arbejde på yderligere direkte eller indirekte kobling med kiroptiske metoder til bestemmelse af den absolutte stereokemi af isolerede stoffer samt bedre integration af maskinlæring til hel eller delvis automatiseret strukturopklaring ud fra 1D og 2D NMR-spektre.

E-mail:
Dan Stærk: ds@sund.ku.dk

Referencer
1. Newman, D.J.; Cragg, G.M. Natural products as sources of new drugs over the nearly four decades from 01/1981 to 09/2019. J. Nat. Prod. 2020, 83, 770-803.
2. Wubshet, S.G.; Tahtah, Y.; Heskes, A.M.; Kongstad, K.T.; Pateraki, I.; Hamberger, B.; Møller, B.L.; Staerk, D. Identification of PTP1B and a-glucosidase inhibitory serrulatanes from Eremophila spp. by combined use of dual high-resolution PTP1B and a -glucosidase inhibition profiling and HPLC-HRMS-SPE-NMR. J. Nat. Prod. 2016, 79, 1063-1072.
3. Tahtah,Y.; Kongstad, K.T.; Wubshet, S.G.; Nyberg,N.T.; Jønsson,L.H.; Jäger,A.K.; Qinglei,S.; Staerk, D. Triple aldose reductase/a-glucosidase/radical scavenging high-resolution profiling combined with high-performance liquid chromatography – high-resolution mass spectrometry – solid-phase extraction – nuclear magnetic resonance spectroscopy for identification of antidiabetic constituents in crude extract of Radix Scutellariae. J. Chromatogr. A 2015, 1408, 125-132.
4. Zhao, Y.; Kongstad, K. T.; Jäger, A. K.; Nielsen, J.; Staerk, D. Quadruple high-resolution a-glucosidase/a-amylase/PTP1B/radical scavenging profiling combined with high-performance liquid chromatography – high-resolution mass spectrometry – solid-phase extraction – nuclear magnetic resonance spectroscopy for identification of antidiabetic constituents in crude root bark of Morus alba L. J. Chromatogr. A. 2018, 1556, 55-63.
5. Wang, M.; Carver, J.J.; Phelan, J.V.; Sanchez, L.M.; Garg, N.; Peng, Y.; Nguyen, D.D. et al. Sharing and community curation of mass spectrometry data with Global Natural Products Social Molecular Networking. Nature biotechnol. 2016, 34, 828.

Den opklarende faktaboks
De termer og forkortelser, der er brugt i denne artikel om HPLC-PDA-HRMS-SPE-NMR fremgår nedenfor:
• Bioaktivitet: Termen for stoffer, der har en biologisk eller farmakologisk aktivitet, oftest undersøgt i enzym- eller celle-baserede assays.
• Biokromatogram: Det farmakologiske modstykke til HPLC kromatogrammet, dvs. et kromatogram, som viser indholdsstoffernes farmakologiske aktivitet.
• HPLC: High-performance liquid chromatography eller på dansk højtydende væskekromatografi.
• PDA: Photodiode array detection eller på dansk ofte blot diode array detektion (DAD).
• HRMS: High-resolution mass spectrometry eller på dansk højtopløselig massespektrometri.
• SPE: Solid-phase extraction eller på dansk fastfase ekstraktion. Er oftest brugt til prøveoprensning før kemiske analyser, men bruges i vores eksperimentelle setup efter analytisk-skala HPLC-analyse.
• tt: tube transfer. Den proces, hvor analytter på SPE-kolonner elueres til 1,7 mm NMR-rør.
• NMR: Nuclear magnetic resonance eller kernemagnetisk resonans spektroskopi. NMR er den absolut vigtigste spektroskopiske teknik til strukturopklaring af komplekse organiske forbindelser.
• 1D: Et-dimensionelt, refererer til et NMR-spektrum, hvor der på x-aksen typisk vil være frekvens (kemisk skift) og hvor der på y-aksen vil være intensitet.
• 2D: To-dimensionelt, refererer til NMR-spektroskopi, hvor der er to frekvensakser og data plottes i rummet.

Den nørdede faktaboks
Det beskrevne HPLC-PDA-HRMS-SPE-ttNMR-system består af følgende sammenkoblede enheder:
• Et Agilent analytisk-skala HPLC-PDA-system som via en passiv splitter efter HPLC-kolonnen fører cirka 1% af eluatet til HRMS-detektion og 99% til PDA-detektion.
• Et Bruker MicrOTOF-Q II elektrospray ioniserings quadrupole time-of-flight massespektrometer med høj opløsning for både hovedioner og fragmenter (ved MS/MS-analyser).
• En Knauer post-column pumpe som via et T-stykke fortynder eluatet 1:2.
• En Spark Holland Prospekt II SPE-enhed, som kan opsamle op til 192 analytter på små 10 x 2 mm i.d. SPE-kolonner, som typisk indeholder en poly(styren-divinyl benzen) resin eller C18-materiale.
• En Gilson “tube transfer” autosampler som via en 1-mm nål fylder 1,7-mm NMR-rør i 96-rørs racks. De anvendte rør fyldes med 30 mL, som svarer til volumen af de anvendte SPE-kolonner.
• Et 600 MHz Bruker NMR-instrument med en 1,7-mm TCI (triple-resonance cold inverse) helium-kølet cryoprobe med en SampleJet autosampler med plads til fem 96-rørs racks. Den inverse konfiguration og det aktive volumen på 30 mL giver proben en meget høj massefølsomhed.

Skrevet i: Analytisk kemi, Artikler fra Dansk Kemi

Seneste nyt fra redaktionen

Materialer til konstruktion af små modulære atomreaktorer med smeltet fluorid-salt

Artikler fra Dansk KemiEnergiTop20. 01. 2026

4. generations atomkraftreaktorer, der bruger smeltet salt som brændsel eller kølemiddel, er ved at blive udviklet i Danmark, men hvad kan vi bygge dem af? Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 6, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen

Er der salat i solcreme?

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi12. 01. 2026

Afhængigt af ens ophold udendørs, solindfaldet dér og ens lysfølsomhed kan man få brug for solcreme på alle tider af året, så her skriver vi også om det i november. Som ved de fleste andre kemibaserede produkter kan man støde på ejendommelig nomenklatur, når man studerer ingredienslisterne for

Kan kviksølv-isotoper være nøglen til at forstå kviksølvforureningen i Arktis?

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø12. 01. 2026

I de senere år har den teknologiske udvikling medført, at det er muligt at måle kviksølv-isotoper med så høj præcision, at disse kan bruges som et slags ”fingeraftryk” og give ny viden om kilder, transportveje og processer i kviksølvets komplicerede kredsløb. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi

Forstå pulver gennem simuleringer

AktueltArtikler fra Dansk KemiKemiteknik05. 01. 2026

Pulverbaserede produkter har mange fordele, men pulverets uforudsigelige og komplekse adfærd vanskeliggør at styre de processer, der producerer det. Med avancerede numeriske simuleringer kan vi nu kigge ind i selve procesudstyret og dermed designe forbedrede processer. Artiklen har været bragt i

Når bobler og farveskift afslører reaktorens hemmeligheder

AktueltArtikler fra Dansk KemiKemiteknik15. 12. 2025

Visuelle metoder giver ny indsigt i boblestørrelser, blandingstider og iltoverførsel i bioreaktorer. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Emilie Overgaard Willer, Camilla Tue

Koks i jorden og olie i tanken

AktueltArtikler fra Dansk KemiKemiteknik08. 12. 2025

Omdannelse af halm via langsom pyrolyse og hydro-deoxygenering. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Claus Dalsgaard Jensen1, Anker Degn Jensen1, Magnus Zingler Stummann2 og Jesper

DTU blandt Europas bedste universiteter – bl.a. indenfor kemi og miljøteknologi

AktueltBranchenyt01. 12. 2025

For tredje år i træk ligger DTU øverst på ranglisten EngiRank, der rangerer de bedste tekniske universiteter i Europa. EngiRank har udvidet antallet af universiteter, så der nu er 239 – heriblandt 15 universiteter fra Storbritannien. - Det er en stor anerkendelse, ikke blot af DTU som

Sodpartikler i København

Artikler fra Dansk KemiKlima og miljøTop25. 11. 2025

Luftforurening i byens gader påvirkes af få køretøjer med høje emissioner. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 6, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Thomas Bjerring Kristensen og Nanna Freja Christiansen, Force

Rens søen og gød marken: Søsediment som bæredygtig fosforgødning

AktueltArtikler fra Dansk KemiKemiteknik17. 11. 2025

Opgravning af næringsrigt bundsediment er en effektiv metode til at rense søer og sikre, at den værdifulde fosfor kan genanvendes som gødning. Håndtering af de store mængder våde sediment kræver dog effektive afvandingsmetoder. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2025 og kan læses uden

Glas som batterimateriale

AktueltArtikler fra Dansk Kemi10. 11. 2025

Ikke-krystallinske glasmaterialer er typisk noget, vi forbinder med vinduer og skærme, men kan også forbedre ydeevnen af batterier. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Søren

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    Pipettebytte er tilbage!

  • DENIOS ApS

    Skal dit truckværn være af stål eller plast?

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions bliver officiel global leverandør af ITER-flanger

  • DENIOS ApS

    Dette er det eneste, du behøver for at håndtere en lækage

  • DENIOS ApS

    Nu falder sneen – og det kan blive dyrt for dig

  • MD Scientific

    DissoPrep X8 – innovativt udstyr til præcis forberedelse og dosering af medier

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Busch Group fejrer stor åbning af næsten 60.000 kvadratmeter stort servicecenter i Tempe Arizona

  • DENIOS ApS

    Glædelig jul og et rigtig godt nytår!

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Et tilbageblik på året der gik

  • DENIOS ApS

    Gemmer dit løfteudstyr på skjulte farer?

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Materialer til konstruktion af små modulære atomreaktorer med smeltet fluorid-salt

    20.01.2026

  • Er der salat i solcreme?

    12.01.2026

  • Kan kviksølv-isotoper være nøglen til at forstå kviksølvforureningen i Arktis?

    12.01.2026

  • Forstå pulver gennem simuleringer

    05.01.2026

  • Når bobler og farveskift afslører reaktorens hemmeligheder

    15.12.2025

  • Koks i jorden og olie i tanken

    08.12.2025

  • DTU blandt Europas bedste universiteter – bl.a. indenfor kemi og miljøteknologi

    01.12.2025

  • Sodpartikler i København

    25.11.2025

  • Rens søen og gød marken: Søsediment som bæredygtig fosforgødning

    17.11.2025

  • Glas som batterimateriale

    10.11.2025

  • Vælg bælg

    03.11.2025

  • Enzymet glucoseoxidase – en status i 100-året for Detlev Müllers opdagelse

    29.10.2025

  • Vil du stå i spidsen for et af Danmarks ældste fagblade – Dansk Kemi søger ny redaktør

    21.10.2025

  • Hvad laver lermineralet vermiculiti laboratoriet?

    21.10.2025

  • Er kokain protoneret, når det binder til dopamintransporteren?

    17.10.2025

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik