Tıklama işe yarıyor: 2022 Nobel Kimya Ödülü’nü anlamak Inspire article
Bu yıl Nobel Kimya Ödülü tıklama (klik) kimyası dalında verildi. Kulağa basit gelen bu ismin ardındaki çarpıcı metodolojik ilerleme hakkında bilgi edinin.
Bu yılın Nobel Kimya Ödülü, klik kimyası ve biyoortogonal kimyanın geliştirilmesinden dolayı Carolyn R. Bertozzi, Morten Meldal ve K. Barry Sharpless’e verildi.[1] Bu durum kimyagerler ve biyologlar için sürpriz olmadı; aslında bu çalışma için bir Nobel ödülü bir süredir bekleniyordu. Genellikle Nobel ödülleri, oldukça uzmanlaşmış ve çok önemli bir araştırmaya verilir. Bu araştırmalar, konuya yabancı pek çok bilim insan tarafından bile bilinmez. Ancak klik kimyası, kimyasal ve biyolojik araştırmalarda öyle bir devrim yaratmıştır ki, bu alanlardaki bilim insanlarının çoğu bundan haberdardır ve birçoğu araştırmalarında bunu kullanmışlardır. Bu kimyayı laboratuvarda kendim de kullandım ve temel bir teknik olarak buna dayanan birçok ilham verici araştırma makalesi okudum. Peki, klik kimyası ve biyoortogonal kimya nedir ve bu teknikler neden bu kadar önemli bir ilerleme haline gelmiştir?
Klik kimyası nedir?
Geçenlerde bilim insanı olmayan bir meslektaşımla bu yılki Nobel ödülü hakkında konuşurken, klik kimyasının kulağa “LEGO gibi” çocukça basit geldiği yorumunu yaptı. Aslında bu çalışmanın temel ilerlemesini doğru tespit etmişti! Klik kimyası çok heyecan verici ve tam da basit ve modüler olduğu için bu kadar faydalı olduğu kanıtlandı. Barry Sharpless klik kimyasını “modüler, kapsamı geniş, yüksek verimli ve yan ürünleri zararsız” reaksiyonlar olarak tanımlamıştır.[2] Peki bu ne anlama gelmektedir ve bu özellikler neden önemlidir?
Klik reaksiyonlarının özellikleri
Modülerlik – farklı molekül türlerini bir araya getirmek için daha büyük moleküllere kolayca eklenebilen küçük, basit reaktif gruplar
Geniş kapsam – çok çeşitli fonksiyonel gruplarla uyumluluk, yani molekülün diğer bölümleri reaksiyonu engellemez veya reaksiyondan zarar görmez
Basit, hafif reaksiyon koşulları – ideal olarak oda sıcaklığı ve atmosferik basınç ve çok sayıda reaksiyon basamağı ve saflaştırma gerektirmez
Yüksek verim – reaksiyonlar ideal olarak hızlı bir şekilde yürüyüp tamamlanmalıdır. Bunu başarmak için genellikle yüksek bir termodinamik itici güç kullanılır
Spesifiklik – reaksiyonlar sadece amaçlanan fonksiyonel grupta gerçekleşmeli ve öngörülebilir ürünler vermelidir
Sert çözücü yok – reaksiyonlar ideal olarak organik çözücüler yerine sulu çözücüde (su) yer almalı veya en azından su ve oksijen ile uyumlu olmalıdırlar
Zararsız ürünler – ya hiç yan ürün olmamalı ya da açığa çıkan yan ürünler toksik ve reaktif olmamalı veya bu yan ürünler kolayca uzaklaştırılabilmelidirler
Kararlı ürünler – elde edielenürünlerfizyolojik koşullar altında daha fazla reaksiyona girmemeli ya da parçalanmamalı ve izole edilmeleri kolay olmalıdır
En iyi bilinen klik reaksiyonu bakır(I)-katalizli azid-alkin siklokatılma (CuAAC) reaksiyonudur ve Barry Sharpless [3] ile Morten Meldal grupları tarafından bağımsız olarak keşfedilmiştir.[4] Bu reaksiyon tam olarak üzerinde yazdığı şeyi yapar: bakırın varlığında bir azid ve bir alkin doğrudan reaksiyona girerek kararlı bir siklik (halkasal) triazol reaksiyon ürünü oluşturur.
Klik kimyası neden bu kadar faydalı?
Bazı açılardan, bu reaksiyonun en ilginç tarafı, klik reaktif grupların veya ‘tutamaçların’ bağlı olduğu moleküllerdir. Bunlar, proteinlerden ilaç fragmanlarına ve nanomalzeme parçacıklarına kadar neredeyse her şey olabilir. Molekülleri bağlamak için kullanılan birçok kimyasal reaksiyon, yüksek basınç veya sıcaklık gibi ekstrem (ve çevre dostu olmayan) reaksiyon koşullarını, reaksiyon sonrasında tehlikeli organik çözücülerin dikkatlice uzaklaştırılmasını veya çok sayıdaki reaksiyon sırasında her reaksiyon adımında ürünlerin saflaştırılmasını gerektirir. Ayrıca bir karışımda farklı ürünler bulunduğundan bu reaksiyonlar genellikle seçici değildirler, moleküllerin başka yerlerindeki belirli fonksiyonel gruplarla uyumsuzdurlar, su veya oksijen varsa çalışmazlar, düşük verimlidirler veya ortamdan uzaklaştırılması zor toksik veya reaktif yan ürünler üretirler. Bu özelliklerin dezavantajları açıkça ortadır ve klik reaksiyonları çok çeşitli alanlardaki bilim insanlarının bileşikleri daha kolay sentezlemesine ve değiştirmesine olanak sağlamıştır. Örneğin, klik reaksiyonları ilaç geliştirmek için bileşik kütüphaneleri [5,6] veya polimerler ve nanomalzemeler oluşturmak ve onları işlevselleştirmek için kullanılabilirler.[7] Daha da önemlisi, klik reaksiyonlarının basit, modüler yapısı, organik kimya konusunda uzman olmayan kişilerin bile ilgili reaksiyonların yapı taşlarını sipariş edebileceği ve bu reaksiyonları araştırmalarında kullanabileceği anlamına gelir.
Hafif sulu reaksiyon koşulları, özgüllük ve klik kimyasının geniş kapsamı, proteinler, karbonhidratlar, lipidler ve nükleik asitler gibi biyomoleküllerde biyokonjugasyon reaksiyonlarında şaşırtıcı derecede yararlı olduğunu kanıtlamıştır. Bu kompleks moleküllerin çok sayıda fonksiyonel grubu vardır, belirli bir şekilde modifiye edilmeleri zordur ve genellikle organik çözücüler veya ekstrem reaksiyon koşullarında parçalanırlar. Biyomolekülleri kimyasal olarak neden modifiye etmek isteriz? Bunun birçok nedeni vardır ve özellikle önemli olanı etiketlemedir.[8,9] Floresan mikroskobu hakkındaki makalemiz buna bir örnek vermektedir. Belirli biyomoleküllerin sağlık ve hastalıktaki işlevlerini anlamak için onların hücrelerde veya dokularda nerede bulunduklarını izleyebilmek önemlidir. Biyokonjugasyon reaksiyonları, daha sonra floresan mikroskobu ile izlenebilen floroforların bağlanmasını sağlar. Örneğin saflaştırma veya tıbbi görüntüleme için başka birçok etiket veya etiket türü de eklenebilir. Biyokonjügasyonun bir diğer kullanımı ise hedeflemedir; burada bir ilaç bileşiği bir hedefleme grubuna eklenerek onun doğru protein, hücre veya dokuya (örneğin, bir tümör) ulaşması sağlanır. Bu hedefleme yaklaşımları, ihtiyaç duyulan bileşik miktarını azaltır ve yanlış yerde etki etmemesini sağlayarak toksik yan etkileri de azaltabilir.
Peki ya biyoortogonal kimya?
CuAAC biyomoleküllerle uyumlu olsa da, bakır toksik olduğu için canlı sistemlerde kullanılamaz. İşte Nobel ödülünün ikinci kısmı da burada devreye giriyor. Carolyn Bertozzi, CuAAC biyomoleküllerle uyumlu olsa da bakır toksik olduğu için canlı sistemlerde kullanılamayan reaksiyonlar için ‘biyoortogonal’ terimini ortaya attı. Bertozzi, toksik metal katalizör gerektirmeyen ve canlı hücrelerde kullanılabilen gerilme destekli azid-alkin siklokatılma (SPAAC) [10] reaksiyonları geliştirdiği için ödüle layık görüldü. Bu durumda, diflorooktin başlangıç maddesindeki halka gerilmesi onu o kadar kararsızlaştırır ki, reaksiyon bir katalizör olmadan verimli bir şekilde ilerler.
Bu çalışma, klik kimyasının hücre biyolojisini araştırmak için yeni yollar açmıştır. Genetik kod genişletme veya metabolik mühendislik gibi teknikler, hücreleri bir klik tutamacına sahip biyomoleküller üretmesi için kullanılabilir.[11] Bu biyomoleküller, canlı hücrelerde klik ile modifiye edilmiş bir reaksiyon ortağı eklenerek değiştirilebilir; bu da bilim insanlarının biyolojik süreçleri gerçek zamanlı olarak etkilemesine ve takip etmesine olanak tanır. Bertozzi grubu bu reaksiyonları, sağlık ve hastalık üzerinde birçok etkisi olan son derece önemli bir hücresel süreç olan glikozilasyonu (hücredeki biyomoleküllere şeker veya karbonhidrat eklenmesi) araştırmak için kullanmıştır.[12]
Özet
Klik kimyası ve biyoortogonal kimyanın özellikle fizyolojik, biyokimyasal, biyomedikal ve malzeme araştırmalarında bilim üzerindeki etkisi muazzamdır. Bu çığır açan çalışmadan bu yana bir dizi ek klik ve biyoortogonal reaksiyon geliştirildi ve bu kimyasal araçlar sayısız önemli keşif ve ilerlemeye olanak sağladı. Bu durum, modern araştırmanın çok disiplinli doğasını iyi vurgulamaktadır. İlk çalışma organik kimyacılar tarafından yapıldı ve şimdi hücre biyolojisinden ilaç geliştirmeye ve polimer bilimine kadar birçok farklı alanda yaygın olarak kullanılıyor. Ne tür araştırmaların önemli olduğu konusunda kamuoyunda büyük bir yanlış anlama var. İnsanlar genellikle ilaç veya teknoloji geliştirme gibi toplumsal bir ihtiyaca doğrudan hitap etmeyen araştırmaların para israfı olduğunu düşünmektedir. Ancak, yöntem geliştirme ve temel bilgi edinmeye yönelik temel araştırmalar, geleceğin hayat değiştiren uygulamaları için çok önemli yapı taşlarıdır.
References
[1] Carolyn R. Bertozzi, Morten Meldal, and K. Barry Sharpless are awarded the Nobel Prize in Chemistry, 2022: https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/advanced-chemistryprize2022-2.pdf
[2] Kolb HC et al. (2001) Click Chemistry: Diverse chemical function from a few good reactions. Angewandte Chemie 40: 2004–2021. doi: 10.1002/1521-3773(20010601)40:11<2004::AID-ANIE2004>3.0.CO;2-5
[3] Rostovtsev VV et al. (2002) A Stepwise Huisgen Cycloaddition Process: Copper(I)-Catalyzed Regioselective “Ligation” of Azides and Terminal Alkynes. Angewandte Chemie 41: 2569–2599. doi: 10.1002/1521-3773(20020715)41:14<2596::AID-ANIE2596>3.0.CO;2-4
[4] Tornøe CW, Christensen C, Meldal M (2002) Peptidotriazoles on Solid Phase: [1,2,3]-Triazoles by Regiospecific Copper(I)-Catalyzed 1,3-Dipolar Cycloadditions of Terminal Alkynes to Azides. The Journal of Organic Chemistry 67: 3057–3064. doi: 10.1021/jo011148j
[5] Hein CD, Xiu X, Wang D (2008) Click Chemistry, a Powerful Tool for Pharmaceutical Sciences. Pharmaceutical Research 25: 2216–2230. doi: 10.1007/s11095-008-9616-1
[6] Sharpless KB, Manetsch R (2006) In situ click chemistry: a powerful means for lead discovery. Expert Opinion on Drug Discovery 1: 525–538. doi: 10.1517/17460441.1.6.525
[7] Geng Y et al. (2021) Click chemistry strategies for the accelerated synthesis of functional macromolecules. Journal of Polymer Science 59: 963–1042. doi: 10.1002/pol.20210126
[8] Kaur J, Saxena M, Rishi N (2021) An Overview of Recent Advances in Biomedical Applications of Click Chemistry. Bioconjugate Chemistry 32: 1455–1471. doi: 10.1021/acs.bioconjchem.1c00247
[9] Zuin Fantoni N, El-Sagheer AH, Brown T (2021) A Hitchhiker’s Guide to Click-Chemistry with Nucleic Acids. Chemical Reviews 121: 7122–7154. doi: 10.1021/acs.chemrev.0c00928
[10] Agard NJ et al. (2006) A Comparative Study of Bioorthogonal Reactions with Azides. ACS Chemical Biology 1: 644–648. doi: 10.1021/cb6003228
[11] Nikić I, Lemke EA (2015) Genetic code expansion enabled site-specific dual-color protein labeling: superresolution microscopy and beyond. Current Opinion in Chemical Biology 28: 164–173. doi: 10.1016/j.cbpa.2015.07.021
[12] Agard NJ, Bertozzi CR (2009) Chemical Approaches To Perturb, Profile, and Perceive Glycans. Accounts of Chemical Research 42: 788–797. doi: 10.1021/ar800267j
Resources
- Nobel Ödül Organizasyonu’nun klik kimyası ve biyoortogonal kimyanın önemine ilişkin açıklamasını okuyun.
- The Guardian’ın 2022 Nobel Kimya Ödülü ile ilgili makalesini okuyun.
- Araştırma projelerinin nasıl finanse edildiğini ve temel araştırmanın önemini anlamak için bu etkinliği deneyin: McHugh M et al. (2021) What is it good for? Basic versus applied research. Science in School 55.
- Bilimin doğası hakkında bilgi edinmek için gizemli kutu yarışmasına katılın: Horvat AK et al. (2022) The mystery box challenge: explore the nature of science. Science in School 59.
- Floresan mikroskobunun bağırsak mikrobiyomumuzu nasıl aydınlatabileceğini öğrenin: Ponnudurai RP (2022) Shedding light on the gut microbiome. Science in School 60.
- Bu yılki Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü’nün sahibi Svante Pääbo ile yapılan röportajı okuyun: Hayes E (2011) An archaeologist of the genome: Svante Pääbo. Science in School 20: 6–12.
- Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü’nün 2001 yılındaki sahibi Tim Hunt ile yapılan röportajı okuyun: Gebhardt P (2007) Eyes on the horizon, feet on the ground: interview with Tim Hunt. Science in School 18: 9–13.