Articolo divulgativo in Chimica "Specializzazione" di Elisabetta Rosadoni
Il Premio Nobel per la Chimica nel 2022 è stato assegnato per lo sviluppo di un nuovo un approccio sintetico che riguarda il non complicare eccessivamente le cose. Lo scopo infatti è quello di costruire molecole anche complesse, ma seguendo un percorso semplice, imitando ciò che fa la natura.
Il Premio Nobel 2022 per la chimica è stato assegnato agli scienziati Carolyn R. Bertozzi, Morten Meldal e K. Barry Sharpless per lo sviluppo della “chimica click” e della chimica bioortogonale. Sharpless, 81 anni, aveva già ricevuto il Nobel nel 2001; con questa nuova attribuzione diventa quindi la quinta persona al mondo ad essere stata premiata due volte dall’ Accademia reale svedese delle scienze.
Il concetto di click chemistry si riferisce ad un approccio per sintetizzare molecole simili a quelle naturali, ma attraverso reazioni più semplici e replicabili su larga scala1 mentre il termine chimica bioortogonale si riferisce a qualsiasi reazione chimica che avvenga all'interno di un organismo vivente senza interagire né interferire con i numerosissimi processi biochimici naturali concomitanti.2
Queste tecniche sono utilizzate in diversi settori, tra cui trattamenti in grado di uccidere le cellule tumorali senza perturbare le cellule sane, nonché per la produzione sostenibile
di polimeri utilizzati nella costruzione di materiali. Un farmaco basato sulla chimica click è attualmente in fase 2 di sperimentazione clinica e Bertozzi è consulente scientifico dell'azienda che sta sviluppando il farmaco.
1. Come funzionano la chimica click e la chimica bioortogonale?
Il concetto di reazioni click, proposto da Sharpless nel 2001, come suggerisce il nome, è un modo di costruire le molecole come se fossero dei blocchi Lego da incastrare tra loro e si riferisce a trasformazioni chimiche energeticamente favorite, specifiche e versatili, che portano a un unico prodotto di reazione. La chimica click non è quindi un nuovo tipo di chimica, ma piuttosto un termine usato per definire una classe di reazioni che possono creare molecole complesse in modo semplice e molto efficiente. Questo concetto sembra rispondere perfettamente alle esigenze degli scienziati moderni che lavorano in aree di ricerca diverse come la biologia molecolare, la progettazione di farmaci, la biotecnologia, la chimica macromolecolare o la scienza dei materiali. È importante sottolineare infatti che negli ultimi anni le reazioni che richiedono apparecchiature complesse e/o condizioni sperimentali difficili, sono state studiate meno frequentemente rispetto al secolo scorso e gradualmente sostituite da approcci più semplici. La chimica click è una chimica concepita per generare sostanze in modo rapido e affidabile unendo piccole unità come fa la natura. È definita come un approccio rapido, modulare e orientato al processo di connessione irreversibile dei substrati coinvolti nelle reazioni. Sono necessarie due molecole per fare “click”, quindi i ricercatori si riferiscono a ciascuna di esse come “partner di click”. Nel 2002 K. Barry Sharpless e Morten Meldal hanno scoperto in modo indipendente che l'azide, una molecola ad alta energia con tre atomi di azoto legati insieme, e l'alchino, una molecola relativamente inerte e rara in natura con due carboni legati con un triplo legame, sono ottimi partner per le reazioni click in presenza di un catalizzatore di rame.3, 4 Hanno notato come il catalizzatore di rame possa far avvicinare i due pezzi in una disposizione ottimale affinché possano legarsi e questa è passata alla storia la reazione click per antonomasia. I biochimici si sono subito resi conto che le reazioni click potessero essere un modo efficente per sondare i sistemi viventi come le cellule, poiché producono pochi o nessun sottoprodotto tossico e possono avvenire rapidamente. Tuttavia, il catalizzatore di rame è di per sé tossico per i sistemi viventi. Così Carolyn Bertozzi ha escogitato una soluzione a questo problema eliminando il catalizzatore dalla reazione. Per farlo ha inserito l’alchino in una struttura ad anello, sfruttando la tensione anulare della molecola costretta in una forma ciclica come forza trainante per la reazione. Inoltre, queste reazioni si definiscono bioortogonali perché avvengono “parallelamente” all’ambiente chimico della cellula, senza perturbarne i normali processi concomitanti.
Figura 1: Reazione click azide-cicloottino; il passaggio da triplo a doppio legame diminuisce la tensione dell’anello favorendo la reazione
2. Quali criteri deve soddisfare una reazione per essere definita click?
Come già detto, quando ci riferiamo alla “chimica click” non ci riferiamo a una sola reazione bensì a un gruppo di reazioni che devono, almeno idealmente, soddisfare una serie di criteri. Per fare parte della chimica click, le reazioni devono:
• essere modulari e versatili
• dare rese molto elevate
• formare sottoprodotti non tossici
• essere stereospecifiche
• avere una forza termodinamica elevata (>80 kJ/mol) per favorire una reazione rapida e completa verso un singolo prodotto di reazione
• portare a prodotti stabili in condizioni fisiologiche
• essere efficienti dal punto di vista dell’economia atomica.
Anche la procedura utilizzata deve (o dovrebbe idealmente) rispettare determinati criteri:
• avvenire in condizioni blande
• utilizzare materiali e reagenti facilmente reperibili
• evitare l'utilizzo di solventi, o quanto meno richiedere solventi non dannosi e facilmente rimovibili, preferibilmente acqua
• portare a prodotti finali facilmente isolabili con metodi non cromatografici, tipo cristallizzazione e distillazione.
I criteri richiesti dalla “click chemistry” sono dunque piuttosto stringenti, ed è quindi improbabile che una certa reazione li rispetti tutti integralmente. Tuttavia, tra tutte le reazioni che avvengono con formazione di legami carbonio-eteroatomo, oltre alla cicloaddizione azide-alchino, altre classi di reazioni che si prestano ad essere comprese nell'ambito della chimica click sono le reazioni tiolo-ene,5 le reazioni di Diels-Alder e le reazioni di Diels-Alder a domanda elettronica inversa,6 le cicloaddizioni [4+1] tra isocianuri e tetrazine,7 le sostituzioni nucleofile specie su anelli piccoli e tensionati come negli epossidi e le aziridine, la chimica del carbonile di tipo non aldolico: ad esempio sintesi di uree, eterocicli aromatici e idrazoni e le reazioni di addizione a doppi legami carbonio-carbonio come la diidrossilazione e l'epossidazione.
Figura 2: Altri esempi di reazioni click; (a) reazioni tiolo-ene (b) reazioni di Diels-Alder a domanda elettronica inversa (c) cicloaddizioni [4+1] tra isocianuri e tetrazine
3. Quali applicazioni trova la chimica click?
La chimica click è, al momento, lo strumento sintetico più potente, affidabile e utile per la sintesi di triazoli sostituiti e di librerie di questi composti. Tale approccio abbrevia le fasi necessarie alla sintesi sequenziale di diversi agenti farmaceutici, portando a protocolli di identificazione e ottimizzazione dei lead, vale a dire i mattoncini Lego di cui sopra, più efficienti.8
Un altro ambito in cui chimica click ha apportato una rivoluzione è la marcatura del DNA, ambito nel quale ha reso possibile l'uso di diversi coloranti fluorescenti che in precedenza non erano utilizzabili. Tra questi, l'azide cumarina rossa e l'azide fenossazina blu. La marcatura del DNA è ampiamente utilizzata nei laboratori di biologia molecolare e consente agli scienziati di osservare come le proteine interagiscono con i nucleotidi a livello molecolare.9 La chimica click è compatibile anche con diversi gruppi funzionali, il che la rende ideale anche per applicazioni nel settore della scienza dei materiali. Gli scienziati utilizzano questa tecnica per comprendere le proprietà dei materiali e sviluppare nuovi prodotti. Ad esempio, è stata utilizzata per progettare idrogel per applicazioni di ingegneria tissutale e medicina rigenerativa.10 La radiochimica è un altro campo che è stato trasformato dall'introduzione della chimica click. Questa disciplina si concentra sulla chimica dei materiali radioattivi, da utilizzare in tecniche diagnostiche di imaging come la tomografia a emissione di positroni (PET) e la tomografia computerizzata a emissione di fotoni singoli (SPECT). I quattro vantaggi che la chimica click ha fornito al campo della radiochimica sono lo sviluppo di gruppi prostetici* per le reazioni di radiomarcatura, la facilità di radiomarcare peptidi e proteine, la capacità di costruire e personalizzare gli scaffold per i radiometalli e lo sviluppo di metodi di pre-targeting in vivo altamente efficaci.11
E questi sono solo alcuni esempi delle innumerevoli applicazioni e dei settori che la chimica click ha rivoluzionato ad oggi, valendo così un premio nobel agli americani Carolyn R. Bertozzi e K. Barry Sharpless e al danese Morten Meldal. Non resta che aspettare e vedere cosa altro potrà fare click in futuro.
* parte della molecola di una proteina coniugata non derivata da amminoacidi, cioè la parte non proteica della molecola
Riferimenti
1. Kolb, H. C.; Finn, M. G.; Sharpless, K. B., Click Chemistry: Diverse Chemical Function from a Few Good Reactions. 2001, 40 (11), 2004-2021.
2. Prescher, J. A.; Dube, D. H.; Bertozzi, C. R., Chemical remodelling of cell surfaces in living animals. Nature 2004, 430 (7002), 873-877.
3. Tornøe, C. W.; Christensen, C.; Meldal, M., Peptidotriazoles on Solid Phase: [1,2,3]-Triazoles by Regiospecific Copper(I)-Catalyzed 1,3-Dipolar Cycloadditions of Terminal Alkynes to Azides. The Journal of Organic Chemistry 2002, 67 (9), 3057-3064.
4. Rostovtsev, V. V.; Green, L. G.; Fokin, V. V.; Sharpless, K. B., A Stepwise Huisgen Cycloaddition Process: Copper(I)-Catalyzed Regioselective “Ligation” of Azides and Terminal Alkynes. 2002, 41 (14), 2596-2599.
5. Hoyle, C. E.; Bowman, C. N., Thiol–Ene Click Chemistry. 2010, 49 (9), 1540-1573.
6. Blackman, M. L.; Royzen, M.; Fox, J. M., Tetrazine Ligation: Fast Bioconjugation Based on Inverse-Electron-Demand Diels−Alder Reactivity. Journal of the American Chemical Society 2008, 130 (41), 13518-13519.
7. Stöckmann, H.; Neves, A. A.; Stairs, S.; Brindle, K. M.; Leeper, F. J., Exploring isonitrile-based click chemistry for ligation with biomolecules. Organic & Biomolecular Chemistry 2011, 9 (21), 7303-7305.
8. Gopalan, B.; Balasubramanian, K. K., Applications of Click Chemistry in Drug Discovery and Development. In Click Reactions in Organic Synthesis, 2016; pp 25-76.
9. Fantoni, N. Z.; El-Sagheer, A. H.; Brown, T., A Hitchhiker’s Guide to Click-Chemistry with Nucleic Acids. Chemical Reviews 2021, 121 (12), 7122-7154.
10. Xu, Z.; Bratlie, K. M., Click Chemistry and Material Selection for in Situ Fabrication of Hydrogels in Tissue Engineering Applications. ACS Biomaterials Science & Engineering 2018, 4 (7), 2276-2291.
11. Meyer, J.-P.; Adumeau, P.; Lewis, J. S.; Zeglis, B. M., Click Chemistry and Radiochemistry: The First 10 Years. Bioconjugate Chemistry 2016, 27 (12), 2791-2807.
