Nauki ścisłe [2022-10-07]

Chemiczny klik wart Nobla

— Marcin Behrendt

Carolyn R. Bertozzi, Morten P. Meldal i K. Barry Sharpless zostali laureatami tegorocznej Nagrody Nobla z chemii za pracę nad innowacyjną metodą syntezy organicznej. "Doprowadziła ona do rewolucji w tym, jak chemicy myślą o łączeniu cząsteczek ze sobą" - ogłosiła Szwedzka Akademia Nauk.

Troje chemików: Carolyn R. Bertozzi, Morten P. Meldal i K. Barry Sharpless zostało uhonorowanych tegoroczną Nagrodą Nobla za rozwój tzw. click chemistry, czyli "klikającej chemii" i chemii bioortogonalnej.

Jak zauważają członkowie Komitetu Noblowskiego, chemicy od dawna kierują się chęcią budowania coraz bardziej skomplikowanych cząsteczek. W badaniach farmaceutycznych często wiąże się to ze sztucznym odtwarzaniem naturalnych cząsteczek o właściwościach leczniczych. Doprowadziło to do powstania wielu godnych podziwu konstrukcji molekularnych, ale ich produkcja jest zazwyczaj czasochłonna i bardzo kosztowna. - Tegoroczny werdykt jest o tym, by nie komplikować nadmiernie spraw. Funkcjonalne cząsteczki można zbudować, nawet idąc prostą drogą" - mówi Johan Åqvist, przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie chemii.

- Sam termin click chemistry zaproponował Barry Sharpless w 1998 roku i opisał szczegółowo w 2001, już jako laureat swojej pierwszej Nagrody Nobla - wyjaśnia dr Mariusz Bosiak z Katedry Chemii Organicznej Wydziału Chemii UMK. - Reakcje typu click miały być łatwe do przeprowadzenia, zachodzić szybko, wydajnie i czysto, tak żeby nie trzeba było oczyszczać produktów a najlepiej, żeby zachodziły w zielonym rozpuszczalniku takim jak woda, jak ma to miejsce w organizmach żywych. I żeby nawet w bardzo skomplikowanych cząsteczkach łączyły się ze sobą tylko te ich fragmenty, które chcemy, żeby się połączyły, tak jak łatwo możemy połączyć ze sobą paski dziecięcych plecaków za pomocą klik-zatrzasków. I tylko charakterystyczny dźwięk kliknięcia można pominąć…

Pierwszą reakcję typu click – reakcję tworzenia triazoli z azydków (związków z trzema połączonymi ze sobą atomami azotu – jedna część zatrzasku) i terminalnych alkinów (tych, o których uczymy się w szkole podstawowej – druga część zatrzasku) w obecności jonów miedzi opisali niezależnie od siebie Barry Sharpless i Morten Meldal w 2002 roku. Co więcej Meldal zastosował tę reakcję do białek i cukrów, a więc do związków występujących w naszych ciałach.

Niestety ze względu na obecność toksycznej dla wielu organizmów żywych miedzi reakcja nie nadaje się do zastosowania in vivo.

Dr Bosiak rekonstruuje rozwój badań, które doprowadziły do powstania przełomowej metody: - Podczas stażu podoktorskiego na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco (UCSF) Carolyn Bertozzi uczyła się, jak zmodyfikować cząsteczki białek i cukrów w ściankach żywych komórek, tak aby wprowadzić do nich obce fragmenty chemiczne bez zakłócania ich funkcjonowania.

Takie podejście – modyfikację cząsteczek w żywych organizmach bez przerywania procesów komórkowych – nazwała w 2003 roku chemią bioortogonalną.

Badała glikobiologię chorób takich jak rak, choroby zapalne i zakaźne zwracając szczególną uwagę na cukrową warstwę pokrywającą powierzchnię błon komórkowych (glikokaliks) komórek zaangażowanych w rozpoznawanie i komunikację międzykomórkową. Zmodyfikowała tę warstwę zgodnie z zasadami chemii bioortogonalnej, wprowadzając grupy azydkowe. Potem wystarczyło "spiąć" ją z fragmentem zawierającym alkin, ale bez użycia jonów miedzi. Tu z pomocą przyszło spostrzeżenie Wittiga i Krebsa z 1961 roku, że jeśli zamiast łańcuchowego alkinu zastosować niewielki alkin cykliczny (w kształcie pierścienia), to naprężenia w tym pierścieniu powodują, że reakcja z azydkiem zachodzi szybko, czysto i wydajnie bez dodatku miedzi. Wykorzystując tę modyfikację udało się Bertozzi przyłączać do żywych komórek różne fragmenty chemiczne, np. znaczniki fluorescencyjne, dzięki którym można prześledzić, gdzie znajdują się skupiska interesujących nas komórek.

Rozwój tej swoistej nanotechnologii doprowadził do opracowania w laboratorium Bertozzi w 2018 r. szybkiego testu na gruźlicę. Dziś trwają zaawansowane prace nad wykrywaniem i niszczeniem komórek rakowych dzięki oznaczaniu ich metodami click chemistry, a łatwe łączenie przeciwciał monoklonalnych z różnymi fragmentami naturalnymi doprowadziło do lawinowego wzrostu ilości dopuszczanych do użycia leków biologicznych.