Os açúcares não são essenciais apenas para os processos fisiológicos normais na célula, mas também desempenham um papel fundamental nos processos patológicos. Bactérias e vírus podem até reconhecê-los para infectar seus hospedeiros. Embora continue sendo um tema difícil de pesquisa, o campo da glicobiologia tem atraído muito interesse de pesquisadores de várias disciplinas nos últimos anos. Uma dessas ferramentas é a química bio-ortogonal, que pode ser usada para gerar imagens de glicanos, as estruturas de carboidratos ligadas a proteínas e peptídeos (Figura 1).
Recentemente, o grupo de pesquisa de Carolyn Bertozzi, pioneiro em pesquisas no campo da química bio-ortogonal há muitos anos, usou a química bio-ortogonal para fazer uma descoberta formidável de uma nova biomolécula, a glicoRNA. Aqui, nos aprofundamos no mundo da química bio-ortogonal e suas aplicações, particularmente como ela contribuiu para levar o campo da glicobiologia adiante e quais oportunidades estão por vir.
O que é a química bio-ortogonal?
O termo química bio-ortogonal foi criado pelo grupo de pesquisa de Bertozzi, pioneiro na área há muitos anos. A química bio-ortogonal é um conjunto de reações que podem ocorrer em ambientes biológicos com efeito mínimo sobre as biomoléculas ou interferência em processos bioquímicos. O processo da química bio-ortogonal atende aos critérios rigorosos necessários para que as reações ocorram como deveriam em sistemas biológicos:
- As reações devem ocorrer nas temperaturas e no pH dos ambientes fisiológicos.
- As reações devem fornecer produtos de modo seletivo e com alto rendimento e não devem ser afetadas por água ou nucleófilos, eletrófilos, redutores ou oxidantes endógenos encontrados em ambientes biológicos complexos.
- As reações devem ser rápidas, mesmo em baixas concentrações, formando produtos com reação estável.
- As reações devem envolver grupos funcionais não naturalmente presentes em sistemas biológicos.
Para que a química bio-ortogonal é utilizada?
O CAS Content CollectionTM nos permitiu analisar as tendências de publicação em aplicações de química bio-ortogonal de 2010 a 2020 (Figura 2). A geração de imagens foi o maior uso da química bio-ortogonal entre 2010 e 2020, seguido pelo desenvolvimento e pela administração de fármacos.
(*2010 foi selecionado como ponto de referência inicial porque foi o primeiro ano em que o número de documentos contendo "química bio-ortogonal" aumentou significativamente em relação ao ano anterior. Aproximadamente 90% do total de documentos contendo o termo "bioortogonal" ou "bio-ortogonal" foram publicados desde 2010.)
Além disso, a química bio-ortogonal de proteínas representa o maior número de publicações, provavelmente porque esses métodos são os mais estabelecidos, com outros campos aumentando constantemente, incluindo o campo relativamente novo de glicanos (Figura 3).
Imagens de glicanos
A química bio-ortogonal provou ser uma ferramenta essencial para a compreensão das estruturas, localização e funções biológicas dos glicanos. Os glicanos são oligossacarídeos ligados a peptídeos, proteínas e lipídios comumente encontrados nas paredes celulares, permitindo seu uso na visualização seletiva de tipos de células. Os precursores metabólicos de glicano incluem muitas funcionalidades bio-ortogonais, incluindo azidas, alcinos terminais e alcinos tensos. Os glicanos podem ser visualizados usando o parceiro bio-ortogonal adequado, por exemplo, as azidas são observadas com ésteres ou tioésteres contendo fosfina por Staudinger u ligações de Staudinger sem vestígios, alcinos terminais ou alcinos tensos são identificados usando CuAAC ou SPAAC, respectivamente.
A química bio-ortogonal impulsiona a glicobiologia
Até agora, o RNA não era um alvo importante da glicosilação. No entanto, uma significativa descoberta recente possibilitada pelo uso de marcação metabólica e química bio-ortogonal foi a descoberta do "glicoRNA". Usando uma bateria de abordagens químicas e bioquímicas, o Dr. Ryan A. Flynn coordenou um grupo de pesquisa de Bertozzi que descobriu que RNAs não codificantes pequenos conservados contêm glicanos sialilados e que esses glicoRNAs estão presentes em vários tipos de células e espécies de mamíferos em células cultivadas e in vivo.
A estratégia usada para esta descoberta foi marcar metabolicamente células ou animais com açúcares precursores funcionalizados com um grupo azida clicável. Os azidoaçúcares permitem a reação bio-ortogonal com uma sonda de biotina para enriquecimento, identificação e visualização após a incorporação no glicano celular. Usando um precursor de ácido siálico marcado com azida, N-azidoacetilmanosamina peracetilada (Ac4ManNAz), as preparações de RNA altamente purificadas de células marcadas exibiram reatividade de azida. A montagem do glicoRNA depende da maquinaria biossintética canônica de N-glicanos e resulta em estruturas enriquecidas em ácido siálico e fucose. Uma análise posterior de células vivas revelou que a maioria dos glicoRNAs estava presente na superfície celular onde interagem com anticorpos anti-dsRNA e membros da família de receptores Siglec. São necessárias pesquisas posteriores para investigar o papel do glicoRNA.
Com a ajuda da química bio-ortogonal, foi estabelecida uma interface direta entre a biologia do RNA e a glicobiologia, e agora existem muitas outras descobertas a serem exploradas.
Quais oportunidades o futuro da química bio-ortogonal nos reserva?
A química bio-ortogonal tem uma ampla variedade de aplicações na ciência e medicina e tem sido usada para avançar significativamente as pesquisas nos últimos anos. Além de impulsionar o campo da glicosilação por meio da descoberta de glicoRNAs, ela mostrou aplicações promissoras na administração e no direcionamento de fármacos e seu uso provavelmente se expandirá ainda mais no futuro. Veja alguns exemplos:
- Síntese in situ de agentes farmacêuticos: a química bio-ortogonal pode ser útil no desenvolvimento de fármacos a partir de precursores menores. Ao criar fármacos como e quando necessário, eles podem ser mais eficazes e menos tóxicos; o escopo da intervenção farmacológica também pode ser ampliado.
- Marcação de glicano: nanopartículas lipídicas foram geradas contendo galactosaminas marcadas com azida usando ligantes de folato. Devido à presença de receptores de folato aumentados no tecido tumoral, ocorreu a internalização de LNP, seguida pela liberação de carga nas células tumorais. As membranas tumorais incorporaram dibenzociclooctina funcionalizada com azida, desencadeando uma resposta imunológica quando as células tumorais foram expostas a soros humanos.
- Clique para liberar: este método usa química bio-ortogonal para controlar o tempo e a localização da liberação do fármaco, resultando em um fármaco que deve ser seletivamente tóxico para as células-alvo.
Com o desenvolvimento e refinamento contínuos das reações, a química bio-ortogonal será uma ferramenta importante para pesquisas futuras.
Consulte nosso artigo na Bioconjugate Chemistry e o Relatório do CAS Insights para obter mais detalhes sobre a química bio-ortogonal e sua ampla variedade de aplicações.
