Chemical protein synthesis provides a robust platform for elucidating the protein function and engineering proteins with tailored properties. Despite their broad utility, significant challenges persist in the efficient synthesis and handling of complex peptides and proteins. In this article, we summarize the synthetic strategies designed to harness the unique reactivities of peptide hydrazides. Initially, we establish a method for the direct thioesterification of peptide hydrazides containing an N-terminal thiazolidine group, while suppressing undesired ring opening. Next, we introduce a late-stage solubilization strategy using reductive N-alkylation of hydrazides with hydrophilic tags. Furthermore, we develop a solid-phase linker that yielded alkyl hydrazides, improving the high-performance liquid chromatography peak symmetry and purification yields. We also design aspartic acid hydrazide derivatives to suppress aspartimide formation during solid-phase peptide synthesis, even under microwave-assisted conditions. Finally, we establish a late-stage diversification strategy to convert peptide hydrazides to various C-terminal acids and amides, facilitating structure–activity relationship studies. These methodologies constitute a practical toolkit for overcoming the persistent bottlenecks in chemical protein synthesis.

ペプチド結合は、ペプチドやタンパク質の構造・物性・機能を規定する一方で、生理活性ペプチドの医薬応用におけるボトルネックでもある。この課題を克服するため、ペプチド主鎖を標的とした分子設計が展開されている。

アルケン型ペプチド結合等価体（alkene dipeptide isostere、ADI）は、ペプチド結合を炭素–炭素二重結合へ置換した非加水分解性バイオイソスターである。最も単純な (E)-アルケン型（EADI）に加え、カルボニル酸素等価体としてハロゲンを導入したフルオロアルケン型（FADI）やクロロアルケン型（CADI）、さらにメチル基を導入したメチルアルケン型（MADI）などが開発され、様々な生理活性ペプチドへ応用されてきた。

これらのADIを基盤として、我々はペプチドの高度化研究を展開してきた。これらの研究を通じて、ADIが非加水分解性バイオイソスターにとどまらず、ペプチドの構造・物性・機能を設計するための分子プラットフォームとして利用できることが明らかになりつつある。

本稿では、このようなペプチド主鎖の機能設計という観点から、ADIの分子設計とその応用について概説する。まず、カルボニル酸素等価体の電子的・立体的特性を利用した局所構造制御について紹介し、続いて、ADIの新たな応用展開として、細胞膜透過性の向上、自己分解の抑制、酵素認識の回避など、ペプチド主鎖の機能設計への展開について述べる。さらに、CADIの塩素原子が有する異方的な電子分布に着目したC5水素結合ミミックという新たな研究の方向性についても紹介する。

タンパク質化学合成は、部位特異的に翻訳後修飾や機能性分子が導入された修飾タンパク質や、D-アミノ酸から構成される鏡像タンパク質など、遺伝子工学的手法では作製困難なタンパク質を均一サンプルとして提供できる強力な方法である。その基本的な合成手順は、固相合成によって調製したペプチド断片をnative chemical ligation（NCL）に代表されるペプチド連結反応よって繋ぎ合わせる、というものである。しかし、分子量の大きなタンパク質の合成では連結すべき断片数が多くなり、それに伴う精製回数の増加が全体の収率低下と合成時間の増大を招く。この問題に対し、3つ以上のペプチド断片を精製することなく順次連結するワンポットペプチド連結が開発されてきた。本稿では、我々がこれまでに開発してきたワンポット連結法を概説する。まず、N-アリルオキシカルボニル（Alloc）保護システインとパラジウム錯体を用い、4-メルカプトフェニル酢酸（MPAA）が NCL 触媒・脱保護促進剤・脱保護剤クエンチャー、という3つの役割を果たす連結法を確立し、ペプチド5断片のワンポット連結を世界にさきがけて達成した。さらに、パラジウム錯体に代えてルテニウム錯体を用いることで、触媒量の脱保護剤でAlloc基を定量的に脱保護でき、200残基を超えるタンパク質のワンポット合成を可能とした。また、チオエステルを分解しないアルデヒドスカベンジャー AMDBH を開発し、チアゾリジン（Thz）基の繰り返し脱保護反応によってモノユビキチン化ヒストンH2A.Z（209アミノ酸）のワンポット合成を達成した。最近では、新たに設計したアリル系保護（TfeAllocam保護）システインとN-Sアシルシフト型チオエステル前駆体を組み合わせることで、連結方向を切り替える初のワンポット連結を実現し、287残基のジモノユビキチン化ヒストンH3のワンポット合成を達成した。これらの手法はタンパク質化学合成の効率を大きく向上させ、将来的により複雑なタンパク質の合成に向けた基盤になることが期待される。