Bruce Merrifield kam am 15. Juli 1921 als Sohn des Möbelhändlers George E. Merrifield und seiner Frau Lorene in Fort Worth, Texas, USA, auf die Welt. 1923 zog die Familie nach Kalifornien. Er besuchte dort Grundschule und High School und machte 1939 seinen Schulabschluss an der Montebello High School. Dort entdeckte er sein Interesse für die Chemie, ebenso wie für die Astronomie^[2-5].

Anschließend besuchte er das Pasadena Junior College und wechselte nach zwei Jahren an die University of California in Los Angeles (UCLA), wo er 1943 seinen Bachelor in Chemie erfolgreich abschloss. Dort forschte er im Laboratorium von Professor Max S. Dunn an der Synthese der komplexen Aminosäure Dihydroxyphenylalanin (DOPA).

Noch im selben Jahr arbeitete er bei der Philip R. Park Research Foundation und kehrte danach wieder zurück an die UCLA, wo er 1949 seinen Doktor in Biochemie mit einer Arbeit über mikrobiologische Methoden für die Quantifizierung von Purinen und Pyrimidinen erhielt. Noch im selben Jahr wurde er Assistent und 1966 Professor für Biochemie an der jetzigen Rockefeller University (ehemals Rockefeller Institute for Medical Research) in New York, wo er bis zu seinem Tod im Jahr 2006 blieb.

Festphasenpeptidsynthese

Peptide sind kleine organische Moleküle, die aus mehreren Aminosäuren bestehen und für alle Lebensvorgänge eine essentielle Bedeutung besitzen. Merrifield beschäftigte sich nach seiner Promotion in der Arbeitsgruppe von D. W. Wooley am Rockefeller Institute for Medical Research mit der Synthese größerer Peptide (20 bis 40 Aminosäuren), die die Hydrolyse von Nitrophenylethern katalysieren sollten. Der hohe Zeit- und Arbeitsaufwand bei der konventionellen Herstellung dieser synthetischen Peptide in Lösung mit den Methoden Emil Fischers (Nobelpreis für Chemie 1902) schien dieses Projekt jedoch in Frage zu stellen. Gemäß dieser Synthesemethode musste nämlich nach jedem Reaktionsschritt das Produkt isoliert und gereinigt werden, sodass mit jeder neuen Aminosäure die Gesamtausbeute an Peptid abnahm. Darüber hinaus erforderte die konventionelle Peptidsynthese in homogener Phase umfangreiches Wissen über den Einsatz von Schutzgruppen und Kupplungsmethoden sowie Strategien zur Überwindung von Löslichkeitsproblemen.

All dies veranlasste Merrifield im Mai 1959 die Vereinfachung der Peptidsynthese voranzutreiben. Das erstaunlich einfache und geniale Prinzip seiner neuen Synthesestrategie bestand darin, die erste Aminosäure über ihre Carboxylgruppe an einen festen Träger, ein leicht filtrierbares unlösliches Polymer, zu kuppeln und dann vom C-Terminus her die Peptidkette stufenweise aufzubauen. Nach drei Jahren intensiver Forschungsarbeit fand er den optimalen Träger: Polystyrol vernetzt mit 2% Divinylbenzol. Diese neue bahnbrechende Peptidsynthese stellte er im April 1962 erstmals auf einem Symposium vor^[5] und publizierte diese 1963^[6]. Das Prinzip der Merrifield-Festphasenpeptidsynthese zeigen die Figuren 1 und 2.

Der bereits mit einer geeigneten Ankergruppe versehende Kunstharzträger ("Kugel") wird mit einer am N-Terminus geschützten Aminosäure mit dem Rest R¹ am C-Terminus des Trägers zur Reaktion gebracht (Schritt (i) in Figur 1). Im nächsten Schritt (ii) in Figur 1 wird die Schutzgruppe (zum Beispiel Tert-Butoxycarbonyl, BOC) der kovalent am Träger gebundenen Aminosäure selektiv abgespalten. Nach Entfernung niedermolekularer Verunreinigungen mittels Spülen wird in Schritt (iii) in Figur 1 die nächste N-geschützte Aminosäure mit dem Rest R² mittels Kupplungsreagens (beispielsweise Dicyclohexylcarbodiimid, DCC) mit dem Aminoacyl-Polymer umgesetzt und die Schutzgruppe der neu hinzugefügten Aminosäure entfernt (Schritt (iv) in Figur 1).

Je nach gewünschter Kettenlänge n des zu synthetisierenden Peptids sind die Reaktionssequenzen (iii) bis (iv) n-mal zu wiederholen (eine Wiederholung in Figur 2, die Schritte (v) und (vi)). Im letzten Reaktionsschritt in Figur 2, Schritt (vii), wird mit Fluorwasserstoff (HF) die kovalente Bindung der zuerst eingeführten Aminosäure zum polymeren Träger protoniert und abgespalten und das gewünschte Peptid erhalten^[6].

Peptidsyntheseautomat

Schon früh hatte Merrifield daran gedacht, die von ihm entwickelte neue Festphasen-Peptidsynthese zu automatisieren. Im Übrigen wurden weder von ihm noch von seinem Arbeitgeber Verfahren oder Vorrichtung patentiert. 1965 entwickelte er mit John M. Stewart den Prototyp eines Peptid-Syntheseautomaten, der 1970 patentiert wurde ( US 3 531 258 A )^[2].
Den prinzipiellen Aufbau des von Merrifield und anderen patentierten Peptid-Syntheseautomaten zeigt Figur 3. In dieser Vorrichtung werden im Allgemeinen die für die Peptidsynthese erforderlichen Reagenzien und Lösungsmittel 21 bis 27 durch die Lösungsmittel- und Aminosäure-Selektionsventile 20 und 30 angesteuert und durch die Dosierpumpe 13 von einem der Behälter in das Reaktionsgefäß 11 übertragen, der das Peptid-Kunstharz enthält. Nach einer definierten Mischperiode (Schüttler 12) werden Lösungsmittel, überschüssige Reagenzien und Nebenprodukte durch Vakuumfiltration über den Abfallkolben 41 entfernt.
Diese Grundoperationen werden in einer vorher festgelegten Sequenz mittels einer elektronischen Steuerung wiederholt, bis die Synthese der gewünschten Peptidkette vollständig ist. Alle Teile dieser Vorrichtung, die in Kontakt mit Lösungsmitteln und Reagenzien kommen, bestehen aus Glas oder chemisch beständig Polymeren.

Mittels automatisierter Festphasenpeptidsynthese gelang Merrifield auch die Synthese wichtiger biologisch aktiver Peptide und Proteine wie beispielsweise Thymosin- oder Glukagon-Derivate oder Peptide mit antibakteriellen und/oder Antimalariawirkung, was auch in mehreren Patentdokumenten ihren Ausdruck fand ( US 4 293 455 A , DE 38 87 445 T2 , (1,06 MB) DE 690 32 574 T2 , DE 691 28 479 T2 und US 5 585 353 A ). Besonders hervorzuheben ist die effiziente Festphasenpeptidsynthese des Enzyms Ribonuklease A durch Merrifield und Bernd Gutte im Jahr 1969, die endgültig den Durchbruch dieser Methode brachte^[8].

Merrifield öffnete mit diesem Verfahren auch den Weg für eine preiswerte Synthese von Oligonukleotiden und Poly- bzw. Oligosacchariden in großer Menge und gilt damit als einer der wichtigsten Pioniere der Gen- und Biotechnologie überhaupt.

Patentdokumente zu Robert Bruce Merrifield

Publikationsnummer	Jahr	Titel
US 3 531 258 A	1967	Apparatus for the automated synthesis of peptides
US 4 293 455 A	1980	Nα-Desacetylthymosin α1 and process
US 4 507 230 A	1982	Peptide synthesis reagents and method of use
DE 38 87 445 T2	1987	Verfahren zur Herstellung von Glukagonhomologen und deren Verwendung
DE 689 14 843 T2	1989	Peptid-Synthese und fester Träger zur Verwendung dabei
DE 690 32 574 T2	1989	Anitbakterielle- und Antimalariapeptide
DE 691 28 479 T2	1990	Glukagon-Analoge mit Austauschungen oder Deletionen in ASP-9
US 5 585 353 A	1994	Antibiotic peptides containing d-amino acids
US 5 480 867 A	1996	Glucagon analogs with serine replacements

Quellen:

^[1] Copyright The Rockefeller University

^[2] MERRIFIELD, B.: Life During a Golden age of Peptide Chemistry. American Chemical Society: Washinghton, DC, 1993, ISBN 0-8412-1842-0

^[3] Lexikon bedeutender Chemiker, VEB Bibliographisches Institut Leipzig, 1. Aufl. 1988, ISBN 3-323-00185-0

^[4] MLA style: "Bruce Merrifield - Biography". Nobelprize.org. 12.07.2012
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1984/merrifield.html [recherchiert am 12.07.2012]

^[5] MERRIFIELD, R. B.: Peptide Synthesis on a Solid Polymer. In: Fed. Proc., 21(2), 1962, S. 412, (Abstract). ISSN: 0014-9446

^[6] MERRIFIELD, R. B.: Solid Phase Peptide Synthesis. I. The Synthesis of a Tetrapeptide. In: J. Am. Chem. Soc., 85, 1963, S. 2149-2154

^[7] http://de.wikipedia.org/wiki/Merrifield-Synthese [recherchiert am 16.07.2012]

^[8] GUTTE, B.; MERRIFIELD, R. B.: The Total Synthesis of an Enzyme with Ribonuclease A Activity. In: J. Am. Chem. Soc. 91, 1969, S. 501-502

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