Os açúcares não são apenas cruciais para os processos fisiológicos normais na célula, mas também desempenham um papel essencial em processos patológicos. Bactérias e vírus podem até reconhecê-los para infectar seus hospedeiros. Embora permaneçam um tópico de pesquisa complexo, o campo da glicobiologia ganhou muito interesse nos últimos anos por parte de pesquisadores de várias disciplinas. Uma dessas ferramentas é a química bioortogonal, que pode ser usada para o imageamento de glicanos, as estruturas de carboidratos ligadas a proteínas e peptídeos (Figura 1).
Recentemente, o grupo de pesquisa de Carolyn Bertozzi usou a química bioortogonal para fazer a descoberta impressionante de uma nova biomolécula, o glycoRNA, que tem sido pioneiro na pesquisa no campo da química bioortogonal. O grupo de pesquisa de Bertozzi cunhou o termo química bioortogonal há muitos anos. Aqui, mergulhamos no mundo da química bioortogonal, nas estruturas, localização e funções biológicas dos glicanos e suas aplicações, particularmente como ela ajudou a impulsionar o campo da glicobiologia e quais oportunidades estão por vir.
Glicanos ligados aos domínios extracelulares de um receptor de superfície celular — figura 1. Os glicanos estão conectados aos domínios extracelulares de um receptor de superfície celular. O que é química bioortogonal? O termo química bioortogonal foi cunhado pelo grupo de pesquisa de Bertozzi, que tem sido pioneiro no campo há muitos anos. A química bioortogonal é um conjunto de reações que podem ocorrer em ambientes biológicos com efeito mínimo sobre biomoléculas ou interferência em processos bioquímicos. O processo da química bioortogonal atende aos critérios rigorosos necessários para que as reações ocorram como deveriam em sistemas biológicos:
As reações devem ocorrer nas temperaturas e no pH de ambientes fisiológicos. As reações devem fornecer produtos seletivamente e com altos rendimentos, 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 de reação estáveis. As reações devem envolver grupos funcionais não presentes naturalmente em sistemas biológicos. Para que a química bioortogonal é usada? A CAS Content CollectionTM nos permitiu analisar as tendências de publicação em aplicações de química bioortogonal de 2010 a 2020 (Figura 2). O imageamento foi o uso mais significativo da química bioortogonal entre 2010 e 2020, seguido pelo desenvolvimento e entrega de medicamentos.
Volume de publicações sobre química bioortogonal de 2010 a 2020Figura 2. Volume de publicações sobre química bioortogonal de 2010 a 2020.* O gráfico inserido mostra o volume total de publicações sobre química bioortogonal para comparação.
(*2010 foi selecionado como ponto de referência inicial porque foi o primeiro ano em que o número de documentos contendo "química bioortogonal" aumentou significativamente em relação ao ano anterior. Aproximadamente 90% do número total de documentos contendo o termo "bioortogonal" foram publicados desde 2010.)
Além disso, a química bioortogonal de proteínas representa o maior número de publicações, provavelmente porque esses métodos são os mais estabelecidos, com outros campos também crescendo de forma constante, incluindo o campo relativamente novo dos glicanos (Figura 3).
Documentos relacionados à química bioortogonal e usos específicos na CAS Content Collection entre 2010 e 2020Figura 3. Documentos sobre química bioortogonal e usos específicos na CAS Content Collection entre 2010 e 2020. O gráfico inserido mostra as publicações anuais em química bioortogonal durante o mesmo período. Imageamento de glicanosA química bioortogonal provou ser uma ferramenta essencial para entender as estruturas, a localização e as 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 celulares. Os precursores metabólicos de glicanos incluem muitas funcionalidades bioortogonais, incluindo azidas, alquinos terminais e alquinos tensionados. Os glicanos podem ser visualizados usando o parceiro bioortogonal apropriado; por exemplo, azidas são vistas com ésteres ou tioésteres contendo fosfina por meio de ligações de Staudinger ou Staudinger sem traços, e alquinos terminais ou tensionados são identificados usando CuAAC ou SPAAC, respectivamente.
A química bioortogonal impulsionando a glicobiologia até agora, o RNA não era um alvo primário de glicosilação; no entanto, uma descoberta recente significativa, possível graças ao uso de marcação metabólica e química bioortogonal, foi a descoberta do "glycoRNA". Usando uma bateria de abordagens químicas e bioquímicas, o Dr. Ryan A. Flynn liderou um grupo de pesquisa de Bertozzi que descobriu que pequenos RNAs não codificantes conservados possuem glicanos sialilados e que esses glicanos estão presentes em múltiplos tipos celulares e espécies de mamíferos em células cultivadas e in vivo.
A estratégia usada para essa descoberta foi marcar metabolicamente células ou animais com açúcares precursores funcionalizados com um grupo azida clicável. Os azido-açúcares permitem a reação bioortogonal com uma sonda de biotina para enriquecimento, identificação e visualização após a incorporação no glicano celular. Usando um precursor marcado com azida para ácido siálico, a N-azidoacetilmanosamina peracetilada (Ac4ManNAz), preparações de RNA altamente purificadas de células marcadas exibiram reatividade à azida. A montagem do glycoRNA depende da maquinaria biossintética canônica de N-glicanos e resulta em estruturas enriquecidas em ácido siálico e fucose. Análises adicionais de células vivas revelaram que a maioria dos glycoRNAs estava presente na superfície celular, onde interagem com anticorpos anti-dsRNA e membros da família de receptores Siglec. Pesquisas adicionais são necessárias para investigar o papel do glycoRNA.
Com a ajuda da química bioortogonal, foi estabelecida uma interface direta entre a biologia do RNA e a glicobiologia, e agora há muitas outras descobertas a serem exploradas.
Que oportunidades o futuro da química bioortogonal reserva?A química bioortogonal tem uma ampla gama de aplicações na ciência e na medicina e tem sido usada para progredir significativamente a pesquisa nos últimos anos. Além de impulsionar o campo da glicosilação por meio da descoberta de glycoRNAs, ela mostrou aplicações promissoras na entrega e direcionamento de medicamentos, e seu uso provavelmente se expandirá ainda mais no futuro. Alguns exemplos incluem:
Síntese in situ de agentes farmacêuticos: A química bioortogonal pode ser útil na montagem de medicamentos a partir de precursores menores. Ao criar medicamentos conforme a necessidade, eles poderiam ser mais eficazes e menos tóxicos; o escopo da intervenção farmacológica também poderia ser expandido. Marcação de glicanos: 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 das LNP, seguida pela liberação da carga nas células tumorais. As membranas tumorais incorporaram dibenzociclooctino funcionalizado com azida, desencadeando uma resposta imune quando as células tumorais foram expostas a soros humanos. Clique para liberar: Este método usa a química bioortogonal para controlar o tempo e o local da liberação do medicamento, resultando em um fármaco que deve ser seletivamente tóxico para as células-alvo. Com o desenvolvimento e o refinamento contínuos das reações, a química bioortogonal será uma ferramenta importante para pesquisas futuras.
Veja nosso artigo na Bioconjugate Chemistry e o Relatório de Insights da CAS relacionado para obter mais detalhes sobre a química bioortogonal e sua ampla gama de aplicações.
