Química bio-ortogonal: explorando a importância dos açúcares na célula

Robert Bird, Information Scientist, CAS
Bioorthogonal chemistry glycan depiction

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.

​  Glicanos ligados aos domínios extracelulares de um receptor de superfície celular.  ​
Figura 1. Glicanos ligados aos domínios extracelulares de um receptor de superfície celular.

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.

Volume de publicação de química bio-ortogonal de 2010 a 2020
Figura 2. Volume de publicação de química bio-ortogonal de 2010 a 2020.* O gráfico inserido mostra o volume total de publicações de química bio-ortogonal para fins de comparação.


(*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).

Documentos relacionados à química bio-ortogonal e usos específicos no CAS Content Collection entre 2010 e 2020
Figura 3. Documentos relacionados à química bio-ortogonal e usos específicos no CAS Content Collection entre 2010 e 2020. O gráfico inserido mostra as publicações anuais em química bio-ortogonal no mesmo período.

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 poor 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. 

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