Carolyn Bertozzi, Morten Meldal e Barry Sharpless (da sinistra a destra) hanno sviluppato metodi per unire le molecole rapidamente e senza sottoprodotti indesiderati. Credito: James Tensuan/The New York Times/Redux/eyevine; Università di Copenaghen; KC Alfred/San Diego Union-Tribune via ZUMA/Alamy
Tre chimici che hanno aperto la strada a un’utile tecnica chiamata click chemistry per unire le molecole in modo efficiente, hanno vinto quest’anno il Premio Nobel per la Chimica.
Barry Sharpless della Scripps Research di La Jolla, in California e Morten Meldal dell’Università di Copenaghen, hanno gettato le basi per la chimica dei clic ed entrambi hanno scoperto indipendentemente una reazione fondamentale che potrebbe collegare due molecole – un’azide e un alchino – con relativa facilità. Questa reazione è stata utilizzata per sviluppare una serie di molecole, tra cui plastica e potenziali prodotti farmaceutici.
Il terzo vincitore, Carolyn Bertozzi della Stanford University in California, ha utilizzato la chimica dei clic per mappare i complessi polimeri a base di zucchero chiamati glicani sulla superficie delle cellule viventi senza disturbare la funzione cellulare. Per fare ciò, ha sviluppato processi chiamati reazioni bioortogonali, che ora vengono utilizzati per aiutare lo sviluppo di farmaci antitumorali.
Parlando al telefono durante la conferenza stampa di questa mattina a Stoccolma, la Bertozzi si è detta “assolutamente sbalordita” dalla telefonata mattutina che le diceva di aver vinto. “Non sono ancora del tutto sicura che sia reale, ma sta diventando sempre più reale di minuto in minuto”, ha detto.
La chimica dei clic è stata applicata alle tecnologie di sequenziamento del DNA e alla scienza dei materiali, oltre ad aiutare la ricerca di base sulla funzione cellulare e la scoperta di biomolecole.
“Ma questo è solo l’inizio”, ha detto Bertozzi ai giornalisti durante l’annuncio del premio. “Penso che il campo della chimica dei clic sia ancora nelle sue fasi iniziali. Probabilmente ci sono molte nuove reazioni da scoprire. Il valore della tecnica è la sua semplicità: è altamente efficiente e produce relativamente pochi scarti”.
“Da Carolyn Bertozzi, Barry Sharpless e dai miei gruppi abbiamo cambiato alcuni concetti di chimica che ti permettono di fare cose che non erano mai state possibili prima”, dice Meldal a Nature.
Questo è un secondo premio Nobel per Sharpless, che ha vinto una quota del Nobel per la chimica nel 2001 per lo sviluppo di catalizzatori basati su molecole chirali, quelli con immagini speculari non sovrapponibili. Lo stesso anno, Sharpless scrisse una recensione per la rivista Angewandte Chemie in cui sosteneva che la chimica doveva muoversi verso reazioni più semplici , con meno sprechi sotto forma di sottoprodotti indesiderati. “Sono necessarie solo una manciata di buone reazioni per assemblare un gran numero di molecole organiche altamente diversificate”, hanno scritto lui e i suoi coautori.
Reazioni in discesa
Gli autori hanno immaginato un modo per progettare coppie di molecole che reagiscono solo tra loro e in modo irreversibile. “Ciò significa formare un legame forte e covalente, in contrasto con le interazioni lock-and-key selettive ma più deboli tipiche di molte biomolecole”, afferma Per-Ola Norrby, un chimico computazionale presso l’azienda farmaceutica AstraZeneca di Göteborg, in Svezia, che ha lavorato nel gruppo di Sharpless negli anni ’90. “Una reazione al clic è così in discesa in termini di energia, che non torna mai indietro”, aggiunge. “Tali reazioni dovrebbero verificarsi anche in solventi delicati, come l’acqua, e produrre solo sottoprodotti innocui”.
“È estremamente difficile fare un tipo di chimica in presenza di un altro tipo”, afferma Meldal. “Abbiamo fatto qualcosa che è completamente ortogonale a tutte le sostanze chimiche esistenti”. Ortogonale, che in geometria significa perpendicolare, in chimica si riferisce a reazioni che possono procedere indipendentemente nello stesso mezzo senza influenzarsi a vicenda. Bertozzi ha coniato il termine bioortogonale per riferirsi a reazioni che si verificano senza interferire con la chimica di una cellula vivente.
Nel 2001, Meldal e il suo collaboratore Christian Tornøe hanno scoperto la reazione azide-alchino accidentalmente, mentre lavoravano al Carlsberg Laboratory a Valby, in Danimarca. Un’azide è un tipo di molecola che contiene tre atomi di azoto legati in linea retta; un alchino contiene un triplo legame tra gli atomi di carbonio.
La reazione azide-alchino, scoperta anche da Sharpless e dai suoi colleghi, indipendentemente, nello stesso periodo, divenne nota come l’esempio prototipo di click chemistry.
Da allora i chimici sono riusciti a far funzionare la chimica dei clic tra molecole di dimensioni e complessità crescenti. “Mi piace particolarmente creare ponti nei peptidi e nelle strutture proteiche per stabilizzarne le proprietà”, afferma Meldal.
Knud Jensen, un biologo chimico dell’Università di Copenaghen che è stato il primo studente di Meldal, afferma che la tecnica si è diffusa rapidamente in tutte le aree della chimica e persino nella scienza dei materiali.
Svolta bioortogonale
Più o meno nello stesso periodo, il gruppo di Bertozzi stava lavorando alla comprensione dei glicani e alla ricerca di modi per etichettare gli zuccheri sulle cellule senza danneggiare le cellule stesse. La chimica del clic sembrava offrire una possibilità, ma il rame utilizzato per catalizzare le reazioni potrebbe essere tossico per le cellule.
“Nel 2003, Bertozzi tornò da una conferenza con un’idea per fare a meno del rame usando alchini che erano stati vincolati in un anello”, dice Nicholas Agard, uno scienziato senior presso la società di biotecnologie Genentech a South San Francisco, California, che allora era uno studente laureato nel gruppo di Bertozzi. L’anello piega l’alchino fuori dalla sua normale forma lineare, mettendolo sotto sforzo. La domanda era: “Quell’energia è rilasciabile in modo efficace?”.
Agard ha passato ore a scavare nella biblioteca alla ricerca di un precedente per l’idea che la deformazione dell’anello potesse essere sfruttata per una forma non tossica di chimica del clic. Alla fine ha trovato un giornale di 40 anni in tedesco che sembrava avere una certa rilevanza. “Potrei capire tre cose in esso: ‘fenilazide’, ‘cicloottino’ ed ‘esplosione'”, dice.
Ma Agard e i suoi colleghi sono stati in grado di trovare un modo non esplosivo per sfruttare la deformazione dell’anello per la chimica del clic e il laboratorio ha iniziato ad applicare la tecnica per etichettare le cellule nel pesce zebra e nei topi. “È stato un periodo emozionante”, dice Pamela Chang, biologa chimica che ha conseguito il dottorato di ricerca nel laboratorio di Bertozzi nel 2010. “Sapevamo di essere parte di qualcosa di speciale”.
Meldal spera che il suo premio incoraggi i giovani a intraprendere una carriera nella chimica. Il campo è cruciale per molte delle sfide della società e, insieme alla fisica, offre “una descrizione completa di ciò che ci circonda”, dice.
Fonte:Nature