У 2007 році науковці представили світові революційну працю, що окреслила шлях до абсолютно нової біохімічної методології. Цей підхід обіцяв можливість спостерігати за процесами, які відбуваються в живих організмах, у реальному часі. Витоки цього прориву сягають багаторічних досліджень Керолін Бертоцці, на той час біохіміка з престижного Університету Каліфорнії, Берклі, та її наукової команди. Вони присвятили себе спробам візуалізувати глікани – особливі молекули вуглеводів, що вкривають поверхні клітин.
Глікани є однією з трьох основних категорій біомолекул, поряд з білками та нуклеїновими кислотами. Вони відіграють значну роль у функціонуванні клітин, беручи участь у міжклітинній взаємодії, імунній відповіді та розвитку різних захворювань, зокрема запальних процесів. Проте досі ці молекули залишалися надзвичайно складними для детального вивчення через труднощі з їхньою візуалізацією. Щоб подолати цю перешкоду, професор Бертоцці спиралася на хімічний підхід, започаткований видатними біохіміками К. Баррі Шарплесом зі Скриппс Дослідження та Мортеном Мелдалем з Копенгагенського університету.
Народження клік-хімії
К. Баррі Шарплесс, відомий американський хімік, що двічі ставав лауреатом Нобелівської премії, сформулював концепцію “клік-хімії” – – методу, що дозволяє швидко та ефективно збирати складні біологічні молекули шляхом простого “зчіплювання” менших структурних одиниць. Це стало справжнім переломним моментом у синтетичній хімії.
Біологічні молекули часто мають основу з ковалентно пов’язаних атомів вуглецю, але вуглецеві атоми не завжди охоче утворюють зв’язки між собою. Історично це означало, що хімікам доводилося вдаватися до кропітких, багатоетапних процесів, залучаючи численні ферменти та отримуючи небажані побічні продукти. Такий підхід був прийнятним для лабораторних досліджень, але значно ускладнював масштабне виробництво біомолекул для фармацевтичної галузі.
Шарплесс усвідомив, що можна спростити та розширити цей процес, якщо знайти спосіб “зчіплювати” прості молекули, які вже мають завершений вуглецевий каркас. Для цього потрібен був швидкий, потужний і надійний з’єднувач. Незалежно один від одного, Шарплесс та Мелдал, данський хімік та професор Копенгагенського університету – одного з найстаріших і найшанованіших навчальних закладів Європи, – випадково відкрили цей визначальний сполучний елемент – – хімічну реакцію між азидами та алкінами. Головною умовою була присутність міді як каталізатора. Ця реакція виявилася надзвичайно ефективною та швидкою, відбуваючись понад у 99,9% випадків без утворення будь-яких побічних продуктів.
Біоортогональний прорив Керолін Бертоцці
Проте для Керолін Бертоцці виникла серйозна перешкода – – мідь є вкрай токсичною для живих клітин. Щоб зробити клік-хімію безпечною для використання в біологічних системах, професор Бертоцці ретельно вивчала наукову літературу, шукаючи відповідь. Вона знайшла її у дослідженнях минулих десятиліть: азид та алкін реагуватимуть “бурхливо”, без потреби в каталізаторі, якщо алкін буде примусово сформований у кільцеву структуру.
У 2004 році її команда продемонструвала, що цю реакцію можна використовувати для приєднання азидних молекул до живих клітин, не завдаючи їм шкоди. А вже у 2007 році Бертоцці та її колеги застосували цей метод для візуалізації гліканів у живих клітинах хом’яків, що стало справжнім тріумфом.
Їхній процес передбачав вбудовування модифікованої молекули вуглеводу, що містить азид, у глікани живих клітин. Коли до цього додавалась кільцеподібна молекула алкіну, зв’язана із зеленим флуоресцентним білком, азид та алкін “зчіплювались”, і яскраве зелене світіння білка точно показувало розташування гліканів у клітині.
Цей процес Бертоцці назвала “біоортогональною” клік-хімією, адже він був ортогональним – – тобто не конфліктував і не перешкоджав – – біологічним процесам, що відбуваються всередині клітини. Її відкриття відіграло визначальну роль у розумінні руху малих молекул у живих клітинах. Воно використовувалось для відстеження гліканів в ембріонах рибок даніо-реріо – – популярного об’єкта досліджень у біології розвитку завдяки їхній прозорості та швидкому росту. Також ця технологія допомогла виявити, як ракові клітини позначають себе, щоб уникнути імунної атаки, використовуючи цукрові молекули, та розробити радіоактивні “трасери” для біомедичної візуалізації. Загалом, клік-хімія істотно пришвидшила процес пошуку та розробки нових лікарських засобів.
У 2022 році К. Баррі Шарплесс, Мортен Мелдал та Керолін Бертоцці були удостоєні Нобелівської премії з хімії за їхній видатний внесок у розвиток клік-хімії та біоортогональної хімії, що кардинально змінили наше розуміння живих систем.
