Como la química click es como jugar con Legos

Científico Nano

Originalmente publicado en inglés por William Ford Beimers
Publicado el 6 de septiembre de 2019
Traducido por Wilanyi Alvarez Reyes, Editado por Regina Gonzalez Lona y Lissett Guadalupe Diaz

Los bloques de LEGO pueden ser una de las formas más simples pero ingeniosas para crear juguetes, como lo demuestra su popularidad. Tomar estos simples bloques que son modulares y poder crear infinitas combinaciones de estructuras es gratificante. Por otro lado, es increíble que LEGO pueda crear un conjunto de instrucciones para los bloques el cual resultaría que los constructores obtengan el mismo resultado casi el 100% del tiempo. ¿No sería increíble si hubiera una forma de aplicar estos conceptos en la química usando estos bloques el cual pudiera abrir nuevas posibilidades para estructuras químicas Y permitir seguir el conjunto de instrucciones para poder obtener el resultado deseado casi siempre? Bueno, resulta que los químicos ya han estado haciendo algo similar a esto como una herramienta llamada química de clicks.

LEGO es una metáfora de la química clic (imagen por Semevent)

En las últimas décadas, los químicos han utilizado la química de clicks y un conjunto de guías que las acompañan para llevar la química al tipo de libertad que LEGO brinda a los constructores. La química de click, como un paradigma, fue establecida alrededor del siglo 21 por Hartmuth Kolb, M.G. Finn y K. Barry Sharpless[1] en un intento de cambiar completamente cómo los químicos usan la síntesis orgánica para desarrollar nuevos compuestos (sustancias hechos de más de un tipo de átomo) útiles. Ellos estuvieron frustrados por la dificultad de crear enlaces entre átomos de carbono. Esto es algo que es necesario para hacer nuevos compuestos y que la naturaleza hace muy bien, pero es en realidad muy complejo e intenso de hacer en el laboratorio.

En el artículo del 2003, Kolb y Sharpless describieron que “una reacción click debe ser de amplio alcance, dando consistentemente altos rendimientos con una variedad de materiales de comienzo. Debería ser fácil de hacer, siendo sensitivo al oxígeno o agua, y utilizando solamente los reactivos disponibles. El trabajo de reacción y el aislamiento del producto debería ser uno sencillo sin requerir ninguna purificación cromatográfica.” [2] ¡No muchas reacciones cumplen con todos estos criterios!

La conjugación azida-alquino catalizada por cobre, la reacción principal descrita en Kolb y Sharpless en el artículo del 2003 (imagen por William Beimers, inspirado por Liang 2011[3])

Desde entonces, la reacción click ha tenido efectos por diferentes áreas de la química. Algunas de las reacciones químicas click ahora se usan para crear grandes bibliotecas de compuestos simples. Las bibliotecas pueden predecir cuándo las moléculas de diferentes formas pueden hacer clic juntas para formar nuevos compuestos, como las protuberancias en uno de los bloques de LEGO que pueden encajar en los agujeros del otro (¡excepto que los nuevos compuestos no pueden ser separadas tan fácilmente como los LEGOS!). Los científicos pueden entonces usar estas bibliotecas para buscar compuestos que tienen propiedades específicas, tales como ser potencialmente útil para nuevas drogas.

Todo esto es emocionante, pero ¿cómo la química de click contribuye a las metas del Centro para la Nanotecnología Sostenible (CSN; siglas en inglés)?

La química click en sus raíces es acerca de la química verde, qué es, reducir los efectos ambientales de trabajar con materiales potencialmente dañinos en el laboratorio. Ejemplos de la química verde incluyen encontrar formas en reemplazar solventes tóxicos o mejorar las reacciones para reducir desperdicios. En adición a este aspecto de sustentabilidad, la química de clic se alinea con la investigación en el Centro para la Nanotecnología Sostenible en múltiples formas. Por ejemplo, consideren los múltiples tipos de nanopartículas en uso en el CSN: hay puntos cuánticos, óxidos de metal, nanopartículas de oro y plata, puntos de carbono, etc. Gran parte de la investigación en el centro consiste en evaluar cómo estas nanopartículas pueden afectar el medio ambiente, un aspecto importante de la sostenibilidad debido a cómo las nanopartículas comunes se están convirtiendo en entornos industriales y de consumo. En muchos casos, las propiedades químicas de estas nanopartículas dependen de un revestimiento superficial que les da algún tipo de función específica. En el caso de los puntos de carbono, por ejemplo, se pueden recubrir con dos moléculas diferentes para hacer que la superficie se cargue positiva o negativamente.[4] Si la adición de recubrimientos de nanopartículas pudiera simplificarse mediante el uso de reactivos químicos de clic, se podrían montar enormes bibliotecas de nanopartículas en el laboratorio para probar sus impactos biológicos y ambientales.

Un punto de carbono (siglas en inglés; CD) con grupos positivos y negativos en la superficie es un ejemplo de una nanopartícula (el punto de carbono) con un recubrimiento superficial (moléculas alrededor del exterior) que afectará la forma en que interactúa con los organismos en el medio ambiente. (imagen de Jung, Shin, y Kim 2015,[6] cortesía de CC por la licencia 4.0).

Al igual que utilizar los mismo tamaños y formas de ladrillos LEGO en diferentes combinaciones para construir una gran variedad de creaciones, la misma química de click se podría utilizar una y otra vez pero con diferentes grupos de moléculas para fácilmente nuevos recubrimientos de nanopartículas. El poder hacerlo de forma rápida y eficientes permite crear una gran variedad de modificaciones en la superficie que permite que sean fáciles en monitorear como cada modificación afectan los organismos diferente.[5]

Incluso cuando la química de click no está implicada específicamente en las modificaciones en las nanopartículas, puede ser útil vigilar los efectos de las nanopartículas en los sistemas biológicos. Por ejemplo, científicos pueden usar la química de click para ayudar a identificar proteínas que pueden ser “etiquetadas” con moléculas especiales de marcadores que puede llevar a cabo la química de click. Esto es importante para distinguir las proteínas que han sido marcadas de las demás en una muestra, el cual es útil para estudiar cómo las células responden a las nanopartículas en el ambiente. Como se puede imaginar, eso puede ser una tarea difícil. Una de las características importantes de la química de clic es que estas reacciones pueden ocurrir en células vivientes sin alterar completamente de la función normal de estas porque la bacteria no tiene ninguna molécula tipo LEGO de la reacción de click.[7] Casi cualquier tipo de estructuras de LEGO diferente (grupos funcionales) se puede poner en la sonda para encontrarla para encontrarla una vez interactúa con la proteína. 

La química del click se abrió paso en el campo de la nanotecnología, y al hacer tan ha dado la nanotecnología una perspectiva implícitamente sostenible. Debido a su énfasis en las reacciones que ocurren tan fácilmente como los ladrillos LEGO que se juntan en condiciones de reacción muy suaves mientras producen subproductos tóxicos mínimos, la química de clics y la nanotecnología sostenible van de la mano.

La conjugación azida-alquino encaja dos moléculas (imagen de William Beimers y Miriam Krause)

Recursos adicionales:

Referencias:

  1. Kolb, H.C., Finn, M.G., & Sharpless, K.B. Click chemistry: Diverse Chemical Function from a few good reactions. Angewandte Chemie, 2001, 40(11) 2004-2021. doi: <a href="https://doi.org/10.1002/1521-3773(20010601)40:1110.1002/1521-3773(20010601)40:11<2004::AID-ANIE2004>3.0.CO;2-5
  2. Kolb, H.C. & Sharpless, K. B. The growing impact of click chemistry on drug discovery. Drug Discovery Today, 2003, 8 (24), 1128-1137. doi: 10.1016/S1359-6446(03)02933-7
  3. Liang, A. The copper(I)-catalyzed alkyne-azide cycloaddition (CuAAC) “click” reaction and its applications. An overview. Coordination Chemistry Reviews, 2011, 255 (23–24), 2933-2945. doi: 10.1016/j.ccr.2011.06.028
  4. Yao, B. et al. Carbon Dots: A Small Conundrum. Trends in Chemistry, 2019, 1 (2), 235-246. doi: 10.1016/j.trechm.2019.02.003
  5. Yi, G. et al. Application of click chemistry in nanoparticle modification and its targeted delivery. Biomaterials Research 2018, 22 (1), 13. doi: 10.1186/s40824-018-0123-0
  6. Jung, Y. K. et al. Cell Nucleus-Targeting Zwitterionic Carbon Dots. Scientific Reports. 2015, 5, 18807. doi: 10.1038/srep18807
  7. McKay, C. S. & Finn, M. G., Click Chemistry in Complex Mixtures: Bioorthogonal Bioconjugation. Chemical Biology, 2014, 21 (9), 1075-1101. doi: 10.1016/j.chembiol.2014.09.002

DISCRECIÓN: El CSN, Sustainable-Nano.com, y el autor no han recibido ninguna compensación por escribir esta publicación. No tenemos ninguna conexión material con LEGO o cualquier producto mencionado.