Los azúcares no solo son cruciales para los procesos fisiológicos normales de la célula, sino que también desempeñan un papel esencial en los procesos patológicos. Las bacterias y los virus pueden incluso reconocerlos para infectar a sus huéspedes. Aunque siguen siendo un tema de investigación complejo, el campo de la glicobiología ha despertado un gran interés en los últimos años entre investigadores de diversas disciplinas. Una de estas herramientas es la química bioortogonal, que puede utilizarse para la obtención de imágenes de glicanos, las estructuras de carbohidratos unidas a proteínas y péptidos (Figura 1).
Recientemente, el grupo de investigación de Carolyn Bertozzi utilizó la química bioortogonal para realizar el sorprendente descubrimiento de una nueva biomolécula, el glycoRNA, que ha sido pionero en la investigación en el campo de la química bioortogonal. El grupo de investigación de Bertozzi acuñó el término química bioortogonal hace muchos años. Aquí, nos adentramos en el mundo de la química bioortogonal, las estructuras, la localización y las funciones biológicas de los glicanos, y sus aplicaciones, en particular cómo ha ayudado a hacer avanzar el campo de la glicobiología y qué oportunidades nos depara el futuro.
Los glicanos están unidos a los dominios extracelulares de un receptor de superficie celular (Figura 1). Los glicanos están conectados a los dominios extracelulares de un receptor de superficie celular. ¿Qué es la química bioortogonal? El término química bioortogonal fue acuñado por el grupo de investigación de Bertozzi, que ha sido pionero en este campo durante muchos años. La química bioortogonal es un conjunto de reacciones que pueden tener lugar en entornos biológicos con un efecto mínimo sobre las biomoléculas o sin interferir en los procesos bioquímicos. El proceso de la química bioortogonal cumple los estrictos criterios necesarios para que las reacciones se produzcan como deben en los sistemas biológicos:
Las reacciones deben producirse a las temperaturas y el pH de los entornos fisiológicos. Las reacciones deben proporcionar productos de forma selectiva y con altos rendimientos, y no deben verse afectadas por el agua o los nucleófilos, electrófilos, reductores u oxidantes endógenos que se encuentran en entornos biológicos complejos. Las reacciones deben ser rápidas, incluso a bajas concentraciones, formando productos de reacción estables. Las reacciones deben implicar grupos funcionales que no estén presentes de forma natural en los sistemas biológicos. ¿Para qué se utiliza la química bioortogonal? La CAS Content CollectionTM nos ha permitido analizar las tendencias de publicación en aplicaciones de química bioortogonal de 2010 a 2020 (Figura 2). La obtención de imágenes fue el uso más significativo de la química bioortogonal entre 2010 y 2020, seguido del desarrollo y la administración de fármacos.
Volumen de publicaciones sobre química bioortogonal de 2010 a 2020. Figura 2. Volumen de publicaciones sobre química bioortogonal de 2010 a 2020.* El gráfico insertado muestra el volumen total de publicaciones sobre química bioortogonal para su comparación.
(*Se seleccionó 2010 como punto de referencia inicial porque fue el primer año en que el número de documentos que contenían "química bioortogonal" aumentó significativamente en relación con el año anterior. Aproximadamente el 90% del número total de documentos que contienen el término "bioortogonal" se han publicado desde 2010).
Además, la química bioortogonal de proteínas representa el mayor número de publicaciones, probablemente porque estos métodos son los más establecidos, aunque otros campos también están aumentando de forma constante, incluido el campo relativamente nuevo de los glicanos (Figura 3).
Documentos relacionados con la química bioortogonal y usos específicos en la CAS Content Collection entre 2010 y 2020. Figura 3. Documentos sobre química bioortogonal y usos particulares en la CAS Content Collection entre 2010 y 2020. El gráfico insertado muestra las publicaciones anuales sobre química bioortogonal durante el mismo periodo. Imágenes de glicanos: La química bioortogonal ha demostrado ser una herramienta esencial para comprender las estructuras, la localización y las funciones biológicas de los glicanos. Los glicanos son oligosacáridos unidos a péptidos, proteínas y lípidos que se encuentran habitualmente en las paredes celulares, lo que permite su uso para visualizar tipos celulares de forma selectiva. Los precursores metabólicos de los glicanos incluyen muchas funcionalidades bioortogonales, como azidas, alquinos terminales y alquinos tensos. Los glicanos pueden visualizarse utilizando el socio bioortogonal adecuado; por ejemplo, las azidas se observan con ésteres o tioésteres que contienen fosfina mediante ligaduras de Staudinger o de Staudinger sin rastro, y los alquinos terminales o tensos se identifican mediante CuAAC o SPAAC, respectivamente.
La química bioortogonal hace avanzar la glicobiología. Hasta ahora, el ARN no había sido un objetivo principal de la glicosilación; sin embargo, un hallazgo reciente significativo, hecho posible mediante el uso de marcado metabólico y química bioortogonal, fue el descubrimiento del "glycoRNA". Utilizando una batería de enfoques químicos y bioquímicos, el Dr. Ryan A. Flynn dirigió un grupo de investigación de Bertozzi que descubrió que los ARN pequeños no codificantes conservados portan glicanos sialilados y que estos glicanos están presentes en múltiples tipos celulares y especies de mamíferos en células cultivadas e in vivo.
La estrategia utilizada para este descubrimiento consistió en marcar metabólicamente células o animales con azúcares precursores funcionalizados con un grupo azida clicable. Los azidoazúcares permiten la reacción bioortogonal con una sonda de biotina para su enriquecimiento, identificación y visualización tras su incorporación al glicano celular. Utilizando un precursor marcado con azida para el ácido siálico, la N-azidoacetilmanosamina peracetilada (Ac4ManNAz), las preparaciones de ARN altamente purificadas de células marcadas mostraron reactividad a la azida. El ensamblaje del glycoRNA depende de la maquinaria biosintética canónica de N-glicanos y da lugar a estructuras enriquecidas en ácido siálico y fucosa. Un análisis más detallado de las células vivas reveló que la mayoría de los glycoRNAs estaban presentes en la superficie celular, donde interactúan con anticuerpos anti-ARNdc y miembros de la familia de receptores Siglec. Se justifica una mayor investigación para estudiar el papel del glycoRNA.
Con la ayuda de la química bioortogonal, se estableció una interfaz directa entre la biología del ARN y la glicobiología, y ahora hay muchos otros descubrimientos por explorar.
¿Qué oportunidades depara el futuro de la química bioortogonal? La química bioortogonal tiene una amplia gama de aplicaciones en la ciencia y la medicina, y se ha utilizado para avanzar significativamente en la investigación en los últimos años. Además de impulsar el campo de la glicosilación mediante el descubrimiento de los glycoRNAs, ha mostrado aplicaciones prometedoras en la administración y direccionamiento de fármacos, y es probable que su uso se expanda aún más en el futuro. Algunos ejemplos incluyen:
Síntesis in situ de agentes farmacéuticos: La química bioortogonal puede ser útil para ensamblar fármacos a partir de precursores más pequeños. Al crear fármacos cuando y donde se necesitan, estos podrían ser más eficaces y menos tóxicos; el alcance de la intervención farmacológica también podría ampliarse. Marcado de glicanos: Se han generado nanopartículas lipídicas que contienen galactosaminas marcadas con azida utilizando 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 LNP, seguida de la liberación de la carga en las células tumorales. Las membranas tumorales incorporaron dibenzociclooctino funcionalizado con azida, lo que desencadenó una respuesta inmunitaria cuando las células tumorales se expusieron a sueros humanos. Clic para liberar: Este método utiliza la química bioortogonal para controlar el momento y el lugar de la liberación del fármaco, lo que da como resultado un fármaco que debería ser selectivamente tóxico para las células diana. Con el desarrollo y perfeccionamiento continuos de las reacciones, la química bioortogonal será una herramienta importante para futuras investigaciones.
Consulte nuestro artículo en Bioconjugate Chemistry y el informe relacionado de CAS Insights para obtener más detalles sobre la química bioortogonal y su amplia gama de aplicaciones.
