Además de ser fundamentales para los procesos fisiológicos normales de las células, los azúcares desempeñan un papel esencial en algunos procesos patológicos. Las bacterias y los virus pueden incluso reconocerlos para infectar a sus huéspedes. Aunque siguen siendo un tema de investigación esquivo, el campo de la glicobiología ha captado en los últimos años la atención de investigadores de un amplio abanico de disciplinas. Una de esas herramientas es la química bioortogonal, que se puede usar para obtener imágenes de los glicanos, las estructuras de carbohidratos que se unen a las proteínas y los péptidos (figura 1).
Hace poco, el grupo de investigación de Carolyn Bertozzi, pionero en el campo de la química bioortogonal desde hace muchos años, recurrió a esta técnica para realizar el impresionante descubrimiento de una nueva biomolécula, el glicoARN. En este artículo, profundizaremos en el mundo de la química bioortogonal y sus aplicaciones, y analizaremos, en particular, cómo ha contribuido al avance del campo de la glicobiología y las oportunidades que se abren ante nosotros.
¿Qué es la química bioortogonal?
El término "química bioortogonal" fue acuñado por el grupo de investigación de Bertozzi, que lidera la investigación en este campo desde hace muchos años. La química bioortogonal es un conjunto de reacciones que pueden producirse en entornos biológicos con un efecto mínimo en las biomoléculas o una interferencia mínima con los procesos bioquímicos. El proceso de la química bioortogonal cumple los estrictos criterios necesarios para que las reacciones se produzcan tal y como se darían en los sistemas biológicos:
- Las reacciones se deben producir a las temperaturas y los valores de pH de los entornos fisiológicos.
- Las reacciones deben generar productos de forma selectiva y con un alto rendimiento, y no deben verse afectadas por el agua ni por los nucleófilos, electrófilos, reductores u oxidantes endógenos presentes en entornos biológicos complejos.
- Las reacciones deben ser rápidas incluso a concentraciones bajas y deben generar productos de reacción estables.
- En las reacciones deben participar grupos funcionales que no estén presentes de manera natural en los sistemas biológicos.
¿Para qué se usa la química bioortogonal?
La CAS Content CollectionTM nos ha permitido analizar las tendencias de publicación relacionadas con las aplicaciones de la química bioortogonal entre 2010 y 2020 (figura 2). La obtención de imágenes fue el principal uso de la química bioortogonal entre 2010 y 2020, seguido por el desarrollo y la administración de medicamentos.
(*Se seleccionó 2010 como punto de referencia inicial porque fue el primer año en el que el número de documentos que contenían el término "química bioortogonal" aumentó significativamente con respecto al año anterior. Aproximadamente el 90 % del número total de documentos que contienen los términos "bioortogonal" o "bio-ortogonal" se han publicado desde 2010).
Además, la química bioortogonal de las proteínas representa el mayor número de publicaciones, probablemente porque estos métodos son los más establecidos, aunque otros campos como el de los glicanos, relativamente nuevo, están aumentando de manera gradual (figura 3).
Obtención de imágenes de glicanos
La química bioortogonal ha demostrado ser una herramienta esencial para entender las estructuras, la localización y las funciones biológicas de los glicanos. Los glicanos son oligosacáridos unidos a péptidos, proteínas y lípidos que suelen encontrarse en las paredes de las células, lo que permite utilizarlos para visualizar diversos tipos de células de manera selectiva. Entre los precursores metabólicos de los glicanos se incluyen numerosas funcionalidades bioortogonales, como las azidas, los alquinos terminales y los alquinos tensionados. Los glicanos se pueden visualizar usando el reactivo bioortogonal adecuado; por ejemplo, las azidas se ven con ésteres o tioésteres que contienen fosfano mediante ligaciones de Staudinger clásicas o "traceless" (sin rastro); los alquinos terminales y los alquinos tensionados se identifican usando reacciones CuAAC o SPAAC, respectivamente.
La química bioortogonal impulsa el avance de la glicobiología
Hasta ahora, el ARN no era una de las principales dianas de la glicosilación; sin embargo, el marcaje metabólico y la química bioortogonal han hecho posible un extraordinario descubrimiento reciente: el "glicoARN". Usando una batería de métodos químicos y bioquímicos, el Dr. Ryan A. Flynn dirigió un grupo de investigación de Bertozzi que descubrió que los ARN pequeños no codificantes conservados contienen glicanos sialilados y que estos glicoARN están presentes en numerosos tipos de células y especies de mamíferos tanto en cultivos celulares como in vivo.
Para realizar este descubrimiento se marcaron metabólicamente células o animales con azúcares precursores funcionalizados con un grupo de azidas compatible con las reacciones click. Los azidoazúcares permiten la reacción bioortogonal con una sonda de biotina para el enriquecimiento, la identificación y la visualización tras la incorporación en el glicano celular. Se comprobó que, al usar un precursor del ácido siálico marcado con azida, la N-azidoacetilmanosamina peracetilada (Ac4ManNAz), las preparaciones de ARN muy purificadas presentaban reactividad de las azidas. El ensamblaje del glicoARN depende de la maquinaria biosintética canónica de los N-glicanos y da como resultado estructuras enriquecidas en ácido siálico y fucosa. Un análisis adicional de las células vivas reveló que la mayoría de los glicoARN estaban presentes en la superficie celular, en la que interactúan con los anticuerpos anti-ARNbc y con miembros de la familia de receptores Siglec. Es necesario seguir investigando para entender el papel del glicoARN.
Con la ayuda de la química bioortogonal, se estableció un nexo directo entre la biología del ARN y la glicobiología, y hay ahora otros muchos descubrimientos que se pueden explorar.
¿Qué oportunidades abre el futuro de la química bioortogonal?
La química bioortogonal tiene una amplia gama de aplicaciones científicas y médicas y, en los últimos años, ha permitido realizar importantes avances en el ámbito de la investigación. Además de impulsar el campo de la glicosilación gracias al descubrimiento de las moléculas de glicoARN, abre la puerta a algunas aplicaciones prometedoras en la administración de medicamentos y la administración selectiva de medicamentos, y es probable que su uso siga aumentando en el futuro. Veamos algunos ejemplos:
- Síntesis in situ de agentes farmacéuticos: la química bioortogonal puede resultar útil para ensamblar fármacos a partir de precursores más pequeños. Al crear los fármacos como y cuando se necesiten, podrían ser más efectivos y menos tóxicos, y el alcance de la intervención farmacológica también podría ampliarse.
- Marcaje de glicanos: se han generado nanopartículas lipídicas que contienen galactosaminas marcadas con azidas usando ligandos de folato. Debido a la presencia de un mayor número de receptores de folato en el tejido tumoral, se produjo la internalización de las nanopartículas lipídicas (NPL) seguida de la liberación de la carga dentro de las células tumorales. Las membranas tumorales incorporaron la dibenzociclooctina funcionalizada con azida y activaron una respuesta inmunitaria cuando las células tumorales se expusieron a sueros humanos.
- Click para liberar: este método usa la química bioortogonal para controlar el momento y la ubicación de la liberación del fármaco, lo que hace que su toxicidad se limite a las células objetivo.
Con el desarrollo y el perfeccionamiento continuos de las reacciones, la química bioortogonal está llamada a ser una herramienta importante para las investigaciones futuras.
Consulte el artículo publicado en Bioconjugate Chemistry y el informe de CAS Insights relacionado para obtener información detallada sobre la química bioortogonal y su amplia gama de aplicaciones.
