Esta semana, o Prêmio Nobel de Química de 2020 foi concedido a Emmanuelle Charpentier e Jennifer A. Doudna por sua descoberta fundamental da tecnologia de edição de genes CRISPR. Essa tecnologia causou amplos impactos, aprimorando a forma como diagnosticamos doenças humanas, desenvolvemos novos tratamentos e até cultivamos alimentos. O gráfico abaixo mostra o crescimento explosivo das pesquisas relacionadas ao CRISPR publicadas após essa descoberta fundamental.
Ao selecionar o(s) vencedor(es) a cada ano, o Comitê do Nobel tem a tarefa invejável de peneirar uma miríade de grandes realizações de pesquisa em busca daqueles que tiveram o maior impacto e trouxeram o maior benefício. Dado o padrão extraordinariamente alto da pesquisa química em geral, isso não é tarefa fácil.
Com isso em mente, meus colegas e eu, do corpo de cientistas do CAS consideramos cuidadosamente o que acreditamos ser a pesquisa química mais impactante que ainda não foi laureada com um Prêmio Nobel. Fique de olho nesses pesquisadores e descobertas merecedores nos próximos anos – e nas cerimônias do Nobel – que estão por vir.
Química bioinorgânica
A cientista de informações do CAS, Rumiana Tenchov, cuja formação é em biologia molecular e biofísica, observa que “A química bioinorgânica estuda o papel que os metais – naturais e introduzidos artificialmente – desempenham na biologia, medicina e toxicologia. Aqui, cientistas como Harry B. Gray, Stephen J. Lippard e Richard H. Holm fizeram contribuições excepcionais. Seu progresso coletivo de pesquisa em química bioinorgânica fornece a intuição molecular necessária para interpretar o comportamento do metal em sistemas biológicos, apoiando uma ampla gama de aplicações.”
Gray demonstrou a técnica pioneira de tunelamento de elétrons de longo alcance em proteínas e mediu as taxas de transferência de elétrons usando biomoléculas de proteínas especialmente modificadas. Embora a transferência de elétrons seja um processo fundamental, pouco se sabia sobre os fatores químicos que a regem nos sistemas biológicos. Holm, por outro lado, trabalhou na síntese, estereoquímica, estrutura eletrônica e reatividade de compostos de metais de transição. Ele preparou os primeiros análogos sintéticos dos sítios ativos das proteínas ferro-enxofre e ajudou a desenvolver rotas de síntese para as "metaloproteínas" de baixo peso molecular que duplicam agrupamentos biológicos em enzimas. Lippard, considerado um dos fundadores da química bioinorgânica e metaloneuroquímica (o estudo dos íons metálicos e seus efeitos no cérebro e no sistema nervoso), desenvolveu medicamentos anticancerígenos à base de platina da família 'cisplatina' e elucidou a estrutura e a função de uma enzima que permite que os micróbios vivam de gás natural (metano monooxigenase). Seu trabalho tem aplicações no tratamento de câncer, na biorremediação ambiental e no desenvolvimento de combustíveis sintéticos.q
Síntese do DNA
A replicação do DNA é o mecanismo essencial que sustenta a herança biológica. Marvin H. Caruthers é um líder neste campo por seu desenvolvimento de técnicas inovadoras para a síntese química de DNA. Seu grupo de pesquisa desenvolveu métodos avançados para a síntese de fosforamidita de DNA. Esses métodos permitiram a engenharia genética de novos biofármacos, apoiaram a impressão digital forense de DNA e permitiram o projeto do genoma humano. O DNA sintetizado por meio desses novos métodos também foi incorporado em “máquinas de genes” para ajudar os cientistas a analisar o DNA e a expressão gênica. No geral, o trabalho de Caruthers transformou a síntese de proteínas e DNA de uma exploração altamente especializada em uma ferramenta amplamente utilizada para pesquisa, diagnóstico e perícia criminal.
Destacando o enorme impacto deste trabalho fundamental, Tenchov observa: “Os métodos para sintetizar quimicamente o DNA foram um avanço que avançou vertiginosamente a pesquisa biológica e acelerou o crescimento e o enorme sucesso da indústria de biotecnologia”.
Química supramolecular e nanomateriais
O cientista Chad A. Mirkin é o químico mais citado do mundo em termos de total de citações e o pesquisador mais citado em nanomedicina. Ele aportou contribuições à nanociência fundamental e aplicada, nanomateriais, nanomedicina e nanolitografia. Mirkin é mundialmente reconhecido por seu desenvolvimento de sistemas de nanopartículas para detecção molecular, seu trabalho em química supramolecular e nanomateriais programáveis, e a invenção da nanolitografia com caneta de imersão (que permite a criação de superfícies extraordinariamente sofisticadas para uso em biossensores e chips em nanoescala). Mirkin também descobriu ácidos nucleicos esféricos; essas estruturas, feitas pela disposição química de ácidos nucleicos funcionalizados nas superfícies de núcleos de nanopartículas, que permitiram o desenvolvimento de sondas diagnósticas extremamente sensíveis para diagnósticos precoces, bem como sistemas de drug delivery capazes de atravessar barreiras biológicas.
Tenchov resume o impacto da contribuição de Mikin dizendo: “No geral, o trabalho de Mirkin estabeleceu as bases para a nanotecnologia moderna e o desenvolvimento de aplicações diagnósticas, terapêuticas e materiais relacionadas”.
Fotorresistentes quimicamente amplificados
Os fotorresistentes, polímeros sensíveis à luz que mudam de estrutura quando expostos à radiação, são usados no revestimento e na fabricação de microprocessadores de computador. Especificamente notável é o trabalho de C. Grant Willson, Jean Fréchet e Hiroshi Ito que permitiu o desenvolvimento de fotorresistentes que podem ser usados para revestir, proteger e estender seletivamente o controle e a vida útil das pastilhas de silício das quais os chips de computador são feitos. Isso permite que as propriedades dos chips sejam alteradas conforme a necessidade, ou seja, se é fácil ou difícil de dissolver em solvente, de modo que os chips possam ser padronizados como quiser. Willson e Fréchet desenvolveram fotorresistentes que se degradam rapidamente em intensidades mais baixas de luz, enquanto Willson e Ito desenvolveram ácidos fotoquimicamente iniciados que desencadeiam reações de degradação em cadeia em fotorresistentes existentes (onde a absorção de um único fóton degrada muitas cadeias poliméricas).
O cientista de informações do CAS, Robert Bird, especializado em química orgânica sintética, destacou o impacto funcional dessa tecnologia: “A combinação de novos materiais e os aditivos permitem que chips de computador sejam fabricados usando comprimentos de onda mais curtos e intensidades de luz mais baixas, proporcionando recursos mais densos e maior potência em relação ao seu tamanho. Isso torna os computadores modernos, smartphones e outros equipamentos eletrônicos de consumo possíveis e mais acessíveis”.
A química do clique e bioortogonal
Um termo cunhado pelo professor K. Barry Sharpless, a “química do clique” descreve reações que podem ser usadas para conectar moléculas rapidamente em condições ambientais. Sharpless imaginou formar inibidores de enzimas acoplando moléculas menores no sítio ativo de uma enzima; seu laboratório ajudou a desenvolver versões catalisadas por cobre regiosseletivo de uma reação particular (a cicloadição azida-alcino Huisgen) para formar compostos químicos isoméricos (1,2,3-triazóis). Desde então, o método tem sido usado para preparar polímeros, anticorpos e produtos farmacêuticos devido à sua facilidade e confiabilidade.
A química bioortogonal, um campo batizado por Carolyn Bertozzi no final da década de 1990, descreve reações que ocorrem rapidamente sob condições biológicas (à temperatura ambiente ou próximo à temperatura ambiente, em soluções aquosas, na presença de moléculas biológicas e em baixas concentrações). Bertozzi e seu grupo de pesquisa desenvolveram uma forma de reação de Staudinger para estudar os carboidratos encontrados em sistemas biológicos: uma reação na qual uma azida reage com triarilfosfinas substituídas por éster para produzir uma molécula dipolar neutra (um iminofosforano). Além disso, o laboratório de Bertozzi desenvolveu um método para cicloadições que não requer um catalisador de cobre potencialmente tóxico e, portanto, pode ser usado em células vivas para estudar processos biológicos existentes (cicloadições azida-alcinos promovidas por cepas (SPAAC)).
Bird destaca o impacto deste trabalho: “Essas técnicas permitiram a preparação de novos medicamentos, incluindo conjugados de anticorpo-fármaco da geração atual e agentes de diagnóstico, e ajudaram os pesquisadores a determinar caminhos biológicos de forma mais fácil e inequívoca”.
Polimerização Radical por Transferência de Átomos (ATRP)
O cientista de informações do CAS, Min Wang, especialista em fulerenos e química de polímeros, enfatizou a importância do ATRP ao afirmar: “A ATRP é um dos métodos mais robustos para preparar polímeros com arquiteturas moleculares controladas com precisão”.
Os cientistas Krzysztof Matyjaszewski, Ezio Rizzardo e Mitsuo Sawamoto tiveram um papel fundamental no desenvolvimento dessa metodologia, amplamente utilizada para monômeros de vinil e acrílico. Ela supera a desvantagem significativa da polimerização radical em métodos convencionais, que pode levar a distribuições de peso molecular descontroladas devido às inevitáveis taxas de terminação rápida entre os radicais. A ATRP controla o processo de polimerização desativando os radicais de propagação para formar espécies dormentes (que podem ainda ser reativadas intermitentemente por catalisadores de metais de transição). A ATRP permite o crescimento mais uniforme da cadeia de polímero de uma ampla gama de monômeros com diferentes propriedades químicas nos materiais de campo.
Conectando insights de pesquisa global para acelerar novas descobertas
Esses avanços fundamentais e o trabalho adicional construído sobre eles demonstram a natureza interativa e conectada da descoberta científica. Diariamente, milhares de novas publicações revelam novos insights que podem ser a chave para o avanço do trabalho de outro pesquisador. O CAS coleta, organiza e analisa a ciência divulgada no mundo, capacitando pesquisadores com insights para catalisar a próxima descoberta – e talvez um futuro Nobel. Nossa equipe do CAS é motivada por esse objetivo comum de fazer conexões entre o trabalho de pesquisadores globais que, em última análise, sabemos que vão acelerar as soluções para os maiores desafios do nosso mundo. Veja como.
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