Carolyn Bertozzi, la química del click

Buenas ammucurios@s

Hoy quiero hablaros de una científica que sabe mucho de química, y curiosamente de un tipo de química, que yo hasta hoy que escribo esto no conocía. Os presento a Carolyn Ruth Bertozzi y la química click.

Imagen 1. Carolyn Bertozzi en una conferencia a un grupo de estudiantes.

¿Quién es Carolyn Bertozzi?

Carolyn Ruth Bertozzi o Carolyn Bertozzi nació en Boston, Massachusetts, Estados Unidos, un 10 de octubre de 1966. Esta científica destaca por ser una química estadounidense de la Universidad Stanford, donde ocupa la Cátedra Anne T. and Robert M. Bass en la Escuela de Humanidades y Ciencias. En 2022 fue laureada con el Premio Nobel de Química junto a Barry Sharpless y Morten Meldal por sus estudios e implementación de la teoría de la química click. Está química, de la que más tarde hablaremos en detalle, en el caso de Bertozzi, ella llevó la técnica a un nivel más avanzado, que ha hecho posible usarla en seres vivos.

Investigación

Bertozzi estudió y recibió su título honorífico en química de la Universidad de Harvard, donde trabajó con el profesor Joe Grabowski en el diseño y construcción de un calorímetro fotoacústico. Mientras estudiaba la licenciatura, participó en varias bandas, incluyendo una con el futuro guitarrista de Rage Against the Machine, Tom Morello. Después de graduarse trabajó brevemente en Bell Labs con Chris Chidsey y en el Hospital General de Massachusetts. Pero, Carolyn no es la única científica de su familia, ya que es hija del físico William Bertozzi y hermana menor de Andrea Bertozzi, matemática de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA). Aunque si es la primera de ellos, que obtiene un Nobel.

Carolyn concluyó su doctorado en Química en la UC Berkeley en 1993 bajo la dirección del Profesor Mark Bednarski, trabajando en la síntesis química de oligosacáridos análogos. En aquel tiempo, ella realizaba su doctorado en la UCSF con el Profesor Steven Rosen, donde estudió la actividad de oligosacáridos endoteliales en la adhesión de células promotoras en zonas de inflamación, que se suelen asociar con enfermedad y de señal para el sistema inmunitario. Fue capaz de modificar las moléculas de proteína y azúcar en las paredes de células vivientes de modo que éstas no rechazaran materiales extraños como implantes médicos. Bertozzi se unió a la Universidad de California Berkeley en 1996y es, actualmente, investigadora Howard Hughes Medical Institute (HHMI) desde el 2000.

Carolyn actualmente, estudia la glicobiología de enfermedades como el cáncer subyacente, desórdenes inflamatorios como artritis, y enfermedades infecciosas como la tuberculosis. En particular, Bertozzi analiza la superficie de las células relacionadas con el reconocimiento de células y la comunicación intercelular. Es más, creó el campo de la Química Bioortogonal, la cual emplea reporteros químicos bioortogonales, como el azida para etiquetar las biomoléculas en sistemas vivos. Su laboratorio también ha desarrollado herramientas químicas, incluyendo aquellas para estudiar los glucanos o glicanos (es decir, los azúcares de las membranas plasmáticas de las células) en sistemas vivos y más recientemente nanotecnologías para sondeo de sistemas biológicos.

También, trabaja activamente con activadores biotecnológicos. Ha servido en el equipo de investigación de GlaxoSmithKline, donde ha tenido su avance por sí sola.Varias de las tecnologías desarrolladas en su laboratorio han sido adaptadas para el uso comercial.

La química click ¿eso qué es?

La química click o química clic es una filosofía química introducida por K. Barry Sharpless del Instituto de Investigación Scripps, en 2001. Esta química (por cierto repasar química en este glosario y los artículos asociados), describe una operatoria química a medida, que sirve para generar sustancias de forma rápida y fiable al unir pequeñas unidades entre sí. Se inspira en el hecho de que la naturaleza también genera sustancias al unir pequeñas unidades modulares. Por tanto, la química click no es una reacción específica, sino que es un concepto que imita la naturaleza.

Las reacciones en la química click deberían reunir (o sería deseable) que tuvieran las siguientes características:

ser modulares
ser de amplio alcance
dar un rendimiento químico muy alto
generar sólo subproductos inofensivos
ser estereoespecíficas
ser fisiológicamente estables
mostrar una gran fuerza termodinámica con una liberación de energía superior a 84 kJ/mol lo cual favorece que la reacción produzca un solo producto de la reacción. Siendo una reacción exotérmica. Una reacción exotérmica distinta hace que un reactivo «actúe como un resorte».
poseer una elevada economía de átomos.

El proceso debe reunir (o sería deseable) las siguientes características:

requerir condiciones simples de reacción
usar materiales de partida y reactivos fácilmente disponibles
no usar disolventes o utilizar un disolvente que sea benigno o que se elimine fácilmente (preferentemente agua)
proporcionar un aislamiento simple del producto por métodos no cromatográficas (cristalización o destilación).

Y ¿Por qué todas estas características para esta química click?

En los sistemas biológicos y bioquímicos, las proteínas están hechas de unidades repetidas de aminoácidos y los azúcares están hechos de unidades repetidas de monosacáridos. Estas unidades de conexión están basados en enlaces carbono-heteroátomo es decir, un átomo de carbono – otro átomo – átomo de carbono (again) (C-X-C) más que en enlaces carbono – carbono (C-C).

Además, las enzimas permiten que los procesos químicos puedan superar grandes barreras de entalpía mediante una serie de reacciones cada una de las cuales solo requiere un pequeño gasto de energía. Esta imitación de la naturaleza en la síntesis orgánica es esencial para el descubrimiento de nuevos fármacos, dada la gran cantidad de estructuras posibles.

En el año 1996, W. C. Guida calculó el tamaño de la lista de posibles fármacos en 10⁶³ candidatos, basándose en la presunción de que un candidato tendría menos de 30 átomos distintos del hidrógeno, pesaría menos de 500 daltons, se compone de átomos determinados como las moléculas en la naturaleza, que son: hidrógeno, carbono, nitrógeno, oxígeno, fósforo, azufre, cloro y bromo (siendo los más comunes. También, que es estable a temperatura ambiente y también es estable frente al oxígeno y el agua.

Por tanto, la química click es la combinación de la química combinatoria, la selección de alto rendimiento y la construcción de librerías químicas que acelera el descubrimiento de nuevos medicamentos convirtiendo cada reacción en una síntesis multietapa rápida, eficiente y predecible.

Muchos de los criterios de la química click son subjetivos y, aunque podrían acordarse criterios medibles y objetivos, es poco probable que cualquier reacción sea perfecta para cada situación y aplicación, como ocurre en la naturaleza. Sin embargo, se han identificado varias reacciones que se ajusten al concepto mejor que otras:

La cicloadición 1,3-dipolar de Huisgen, en particular la variante paso a paso catalizada por Cu(I), y que es a menudo conocida simplemente como «la reacción en un clic».
Cicloadiciones tales como la reacción de Diels-Alder
Ejemplos de sustitución nucleófila sobre todo a pequeños anillos tensionados como los compuestos de epoxy y aziridina
Formación de urea de modo similar a la química del carbonilo, pero no mediante reacciones del tipo aldol debido a la débil fuerza termodinámica conductora.
Reacciones de adición a dobles enlaces carbono-carbono como la dihidroxilación o los alquinos en la reacción tiol-ino.

¿Para qué sirve la química click?

La química click tiene amplias aplicaciones. Algunas de ellas son:

Síntesis orgánica preparatoria de triazoles 1,4-sustituidos
Modificación de la función de péptidos con triazoles (muy usados como antifúngico)
Modificación de productos naturales y productos farmacéuticos
Descubrimiento de fármacos
Macrociclaciones mediante acoplamientos con triazoles catalizados con Cu(I)
Modificación de ADN y nucleótidos mediante ligazón con triazol
Química supramolecular: calixarenos, rotaxanos y catenanos
Diseño de dendrímeros
Agrupaciones (clusters) de hidratos de carbono y la conjugación de hidratos de carbono por reacciones de ligadura con triazol catalizadas por Cu(I)
Polímeros
Ciencia de los materiales (especialmente, materiales biodegradables)
Nanotecnología
Bioconjugación, por ejemplo, la azidocumarina.

La química click también se ha utilizado para el etiquetado de forma selectiva de biomoléculas en sistemas biológicos. Una reacción click se vaya a realizar en un sistema vivo debe cumplir un conjunto aún más riguroso de los criterios, de los vistos previamente: debe ser bioortogonal, es decir, los reactivos utilizados no pueden interactuar con el sistema biológico de ninguna manera, ni pueden ser tóxicos. La reacción también debe llevarse a cabo a pH neutro y en o alrededor de la temperatura corporal. La mayoría de las reacciones click tienen un alto contenido de energía que hacen que las reacciones sean irreversibles e incluyen procesos de enlace entre un átomo de carbono y un heteroátomo. Un ejemplo de esto sería la reacción de Staudinger de las azidas.

El 15 de julio de 2010, se anunció que el Instituto de Investigación Scripps firmó un acuerdo de licencia con Allozyne, una compañía privada de biotecnología con sede en Seattle. El acuerdo ofrece a Allozyne una licencia para aplicar la química click para el desarrollo exclusivo en las principales áreas terapéuticas, además de una licencia no exclusiva para aplicaciones de diagnóstico.

Premios y legado

Fue directora del «Molecular Foundry», en el centro de investigación de nanociencia en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Recibió el premio MacArthur «genius» a la edad de 33 años, haciéndola una de las científicas más jóvenes en recibir este premio. En 2010 fue la primera mujer en recibir el prestigioso Premio Lemelson MIT. También es miembro de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos, la Academia Nacional de Inventores y el Instituto de Medicina. En 2014, se anunció que Carolyn sería la Editora en Jefe de la ACS Central Science, la primera revista de acceso abierto de la Sociedad Química Estadounidense que ofrece todo su contenido gratis al público.

Conclusiones

Carolyn Bertozzi sin duda, es una referente y pionera en la química. Además, como curiosidad, ha sido pionera en que se ha declarado abiertamente lesbiana, y en 2022 acudió a la ceremonia de entrega de los premios Nobel con su pareja del mismo sexo (siendo la primera en hacerlo). Así me gusta, viva el amor y la ciencia.

Recordaros que podéis leer más sobre científic@s interesantes aquí.

Referencias

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Artículo escrito y editado por Ana María Morón Usero o Ammu. Podéis seguirme en todas las redes sociales y demás, ver parte izquierda del blog.
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