كيف تعمل كيمياء النقر والكيمياء المتعامدة الحيوية على تحويل صناعات الأدوية والمواد

مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2022 للعلماء كارولين آر بيرتوزي ومورتن ميلدال وك.باري شاربلس لتطويرهم في كيمياء النقر والكيمياء الحيوية المتعامدة.

تم استخدام هذه التقنيات في عدد من القطاعات ، بما في ذلك تقديم العلاجات التي يمكن أن تقتل الخلايا السرطانية دون الإخلال بالخلايا السليمة ، وكذلك إنتاج كميات كبيرة من البوليمرات بشكل مستدام وسريع لبناء المواد. يخضع العقار القائم على الكيمياء بنقرة واحدة حاليًا للمرحلة الثانية من التجارب السريرية. بيرتوزي هو مستشار علمي للشركة التي تقوم بتطوير الدواء.

طلبنا دكتوراه في الكيمياء. المرشح هيانغ (بيتر) زانغ من مختبر لين في جامعة بوفالو للحديث عن كيفية ظهور هذه التقنيات في أبحاثه وكيف حولت مجاله ومجالات أخرى.

1. كيف تعمل النقرات والكيمياء المتعامدة الحيوية؟

انقر فوق الكيمياء ، كما يوحي الاسم ، هي طريقة لبناء جزيئات مثل تجميع كتل الليغو معًا. يتطلب النقر فوق جزيئين ، لذلك يشير الباحثون إلى كل واحد على أنه شركاء النقر.

اكتشف K.Barry Sharpless و Morten Meldal بشكل مستقل أن azide ، وهو جزيء عالي الطاقة مع ثلاثة نيتروجين مرتبط ببعضها البعض ، و alkyne ، وهو جزيء خامل نسبيًا ونادرًا بشكل طبيعي مع اثنين من الكاربون مترابطين معًا ، هما شريكان رائعان في وجود محفز النحاس. ووجدوا أن المحفز النحاسي يمكن أن يجمع القطعتين معًا بترتيب مثالي يربطهما معًا. قبل هذه التقنية ، لم يكن لدى الباحثين طريقة لصنع جزيئات جديدة بسرعة وبدقة في ظل ظروف يسهل الوصول إليها ، مثل استخدام الماء كمذيب في درجة حرارة الغرفة.

سرعان ما أدرك علماء الأحياء الكيميائية أن تفاعلات النقر يمكن أن تكون طريقة رائعة لفحص الأنظمة الحية مثل الخلايا لأنها تنتج القليل من المنتجات الثانوية السامة أو لا تنتج عنها مطلقًا ويمكن أن تحدث بسرعة. ومع ذلك ، فإن محفز النحاس هو نفسه سام للأنظمة الحية.

ابتكرت Carolyn Bertozzi حلاً لهذه المشكلة عن طريق إزالة محفز النحاس من التفاعل. لقد فعلت ذلك عن طريق وضع الألكين في هيكل حلقي ، والذي يدفع التفاعل للأمام باستخدام إجهاد الحلقة الناتج من الجزيئات التي يتم دفعها إلى الشكل الدوري. يمكن أن تحدث هذه التفاعلات المتعامدة الحيوية ، أو التفاعلات التي تحدث “بالتوازي” مع البيئة الكيميائية للخلية ، في الخلايا دون الإخلال بكيمياءها الطبيعية.

2. كيف تستخدم هذه الكيمياء في عملك؟

في مقابلة ، صرحت كارولين بيرتوزي أن الخطوات التالية للكيمياء المتعامدة الحيوية هي إيجاد تفاعلات وتطبيقات جديدة لها. يركز بحثنا المختبر على ذلك بالضبط.

نطبق أنا وزملائي هذه التقنية لتتبع الجزيئات التي نهتم بها لأنها تتصرف بشكل طبيعي في الخلية. في الخلية الحية ، تمكنا من إضافة مسبار إلى مستقبل يلعب دورًا في عدد من العمليات الخلوية.

للعثور على ردود أفعال جديدة ، أمضى مختبرنا الخمسة عشر عامًا الماضية في دفع السرعة التي يمكن أن تعمل بها التفاعلات المتعامدة الحيوية. السرعة مهمة لأن العديد من الجزيئات في الكائنات الحية موجودة بتركيزات منخفضة ، واستخدام الكثير من المواد الكيميائية اللازمة للتفاعل يمكن أن يكون سامًا للخلية. كلما كان رد الفعل أسرع ، قلت التفاعلات الجانبية غير المرغوب فيها.

لقد ابتكرنا طريقة أخرى لتحقيق النقرات وردود الفعل المتعامدة بيولوجيًا بسرعة أكبر. بدلاً من استخدام أزيد وألكين كما فعل الفائزون بجائزة نوبل في الأصل ، استخدمنا جزيئين آخرين يتحدان معًا عند تسليط الضوء عليهما. باستخدام هذه التقنية ، يمكننا إضافة جزيئات إلى سطح الخلية الحية في أقل من 15 ثانية. يمكننا بعد ذلك ملاحظة كيفية عمل بنية معينة على الخلية في بيئتها الطبيعية ، أو اكتشاف كيفية تغيرها عند تعريضها لعقاقير أو مواد أخرى. يمكن للباحثين بعد ذلك اختبار كيفية تفاعل الخلايا مع العلاجات المحتملة بسهولة أكبر.

نعمل حاليًا على تطوير طريقة جديدة لإثارة ردود الفعل هذه بدون ضوء. نحن نعمل بنشاط على استخدام الكيمياء المتعامدة الحيوية لتحسين التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني لفحص الأورام ومراقبتها.

3. لماذا تعتبر هذه التقنيات مهمة جدًا لمجال عملك؟

قبل النقر والكيمياء المتعامدة الحيوية ، لم تكن هناك طريقة لتصور الجزيئات في الخلايا الحية في حالتها الطبيعية.

على سبيل القياس ، تخيل أنك بحاجة إلى العثور على فاتورة محددة بالدولار برقم تسلسلي 01234567. ستكون هذه مهمة شاقة للغاية. سيتطلب منك الأمر مراجعة كل دولار يمكنك الحصول عليه والتحقق مما إذا كان الرقم التسلسلي هو الرقم الذي تبحث عنه.

إن تتبع الجزيئات في أجسامنا أمر صعب ، إن لم يكن أكثر. نظرًا لأن البيئات البيولوجية شديدة التعقيد ، فقد كان من المستحيل سابقًا إضافة مسبار إلى الجزيء محل الاهتمام فقط دون وضع علامات عَرَضية على شيء آخر ، أو الأسوأ من ذلك ، تغيير الكيمياء الطبيعية للخلية. مع التفاعلات المتعامدة الحيوية ، يمكن للباحثين بشكل أساسي إضافة متعقب GPS للجزيء دون التأثير على بقية الخلية.