El Premio Nobel de Química 2022 fue otorgado a Carolyn R. Bertozzi, Morten Meldal y K. Barry Sharpless por el desarrollo de la química de clics y la química bioortogonal.
K. Barry Sharpless y Morten Meldal: Química de clics
La química de clics es una metodología que permite la unión de moléculas de una manera rápida, eficiente y específica. Este enfoque fue conceptualizado y desarrollado por K. Barry Sharpless, quien ya había recibido otro premio Premio Nobel de Química en 2001 por su trabajo en la catálisis asimétrica. Morten Meldal, por su parte, desarrolló de manera independiente una de las reacciones más importantes dentro de la química de clics, conocida como la ciclación 1,3-dipolar catalizada por cobre.
Esta técnica es especialmente valiosa porque permite a los químicos construir moléculas complejas de manera sencilla y con altos rendimientos, lo cual tiene aplicaciones en el desarrollo de medicamentos, materiales y biología.
Carolyn R. Bertozzi: Química bioortogonal
Carolyn R. Bertozzi fue premiada por sus innovaciones en la química bioortogonal, una aplicación de la química de clics a reacciones químicas que pueden ocurrir dentro de sistemas vivos sin interferir con los procesos bioquímicos normales. La química bioortogonal permite etiquetar y rastrear moléculas dentro de organismos vivos, facilitando estudios en biología y medicina que de otro modo serían imposibles.
En particular, las contribuciones de Bertozzi han sido decisivas para el desarrollo de métodos que permiten la modificación de biomoléculas dentro de células vivas, lo cual es fundamental para la investigación en biología celular, así como para el desarrollo de terapias dirigidas.
Relación entre química de clics y química bioortogonal
En conjunto, estas innovaciones han ampliado enormemente las capacidades de los químicos y biólogos para manipular y estudiar sistemas químicos y biológicos, acelerando avances en una amplia variedad de campos científicos y tecnológicos.
La química bioortogonal y la química de clics están estrechamente relacionadas y, de hecho, la primera puede considerarse una aplicación o extensión especializada de la segunda. Ambas se centran en la realización de reacciones químicas de manera eficiente y selectiva, pero en contextos algo diferentes.
La química de clics se refiere a un conjunto de reacciones químicas que son rápidas, eficientes y producen altos rendimientos, con poca o ninguna producción de subproductos no deseados. Estas reacciones están diseñadas para ser modulares, permitiendo la unión de dos o más moléculas de manera sencilla y confiable. Una de las reacciones clic más emblemáticas es la ciclación 1,3-dipolar azida-alquino catalizada por cobre, que permite la formación de triazoles a partir de alquinos y azidas.
En esta reacción, un grupo azida (–N3) reacciona con un alquino terminal (– C ≡ C–H) en presencia de un catalizador de cobre (Cu(I)) para formar un triazol, un anillo de cinco miembros que contiene dos átomos de nitrógeno y tres de carbono:
R–C ≡ C–H + N3 – R’ ⟶ R – C2 N3 – R’
La reacción es altamente eficiente, específica y produce un solo producto mayoritario, sin subproductos significativos.
Este método es ampliamente utilizado en la síntesis de compuestos químicos, materiales y en la bioconjugación para etiquetar biomoléculas.
Por su lado, la química bioortogonal se refiere específicamente a reacciones que pueden ocurrir en presencia de las diversas biomoléculas de un organismo vivo sin interferir con los procesos bioquímicos naturales. Esto es trascendental porque permite etiquetar, modificar o rastrear biomoléculas dentro de sistemas vivos (como células o tejidos) sin afectar el funcionamiento normal del organismo.
Un ejemplo de química bioortogonal es la reacción de cicloadición de tetrazina-transcicloocteno (TCO). Una tetrazina (un compuesto que contiene un anillo con cuatro átomos de nitrógeno) reacciona con un compuesto que contiene un anillo de cicloocteno (TCO).
Tetrazina + transcicloocteno ⟶ Producto ciclado
Esta reacción no requiere catalizador y es extremadamente rápida y específica, lo cual la hace ideal para aplicaciones en biología celular y estudios in vivo. Se utiliza para etiquetar biomoléculas dentro de células vivas. Por ejemplo, una proteína en una célula puede ser modificada genéticamente para incluir un sitio reactivo de TCO. Luego, un compuesto con una tetrazina, que puede estar unido a un fluoróforo (molécula fluorescente), se introduce en la célula. La tetrazina se une al TCO de manera específica y rápida, permitiendo visualizar la proteína bajo un microscopio de fluorescencia sin perturbar otras funciones celulares.
La conexión clave entre la química de clics y la bioortogonal es el concepto de reacciones que son específicas y eficientes. Las reacciones bioortogonales son esencialmente reacciones de clic que han sido adaptadas para ser inertes en un entorno biológico. Es decir, una reacción bioortogonal es un tipo de reacción de clic que ha sido «afinada» para no interactuar con las moléculas naturales de los sistemas biológicos (como proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, etc.). Un ejemplo notable es la modificación de la reacción de clic de la cicloadición de alquino-azida, que puede llevarse a cabo sin la presencia de cobre para evitar toxicidad en entornos biológicos.
Los premiados
Carolyn R. Bertozzi
Carolyn Bertozzi obtuvo su licenciatura en química en la Universidad de Harvard y completó su doctorado en la Universidad de California, Berkeley, bajo la supervisión de Mark Bednarski.
Es profesora en la Universidad de Stanford y ha trabajado en el Instituto Médico Howard Hughes. Ha realizado contribuciones significativas en los campos de la glicobiología y la química bioortogonal, desarrollando técnicas para estudiar y manipular glicanos en sistemas vivos.
Bertozzi es conocida por sus innovaciones en química bioortogonal, que han permitido el etiquetado y manipulación de biomoléculas dentro de organismos vivos sin afectar sus procesos bioquímicos. Ha recibido numerosos premios y es miembro de varias academias científicas, incluyendo la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU.
Morten Meldal
Morten Meldal obtuvo su doctorado en la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU) en 1986.
Ha trabajado en el Centro de Investigación de Carlsberg y en la Universidad Técnica de Dinamarca. Actualmente, es profesor en la Universidad de Copenhague.
Meldal es uno de los pioneros de la química de clics, específicamente por su desarrollo de la ciclación 1,3-dipolar azida-alquino catalizada por cobre (CuAAC). Su trabajo ha sido fundamental en la síntesis de compuestos químicos y bioconjugación. Ha recibido varios premios y reconocimientos a lo largo de su carrera.
K. Barry Sharpless
Barry Sharpless recibió su licenciatura del Dartmouth College y completó su doctorado en la Universidad de Stanford.
Ha trabajado en el MIT, la Universidad de Stanford, y el Scripps Research Institute. Sharpless ha tenido una carrera distinguida como químico, siendo una figura central en el desarrollo de la catálisis asimétrica y la química de clics.
Este fue el segundo Premio Nobel para Sharpless, habiendo recibido su primer Nobel de Química en 2001 por su trabajo en catálisis asimétrica. Es uno de los pocos científicos que ha ganado dos premios Nobel en la misma categoría. Su trabajo en la química de clics ha revolucionado la forma en que los químicos construyen y manipulan moléculas.
Estos tres científicos han hecho contribuciones revolucionarias que han abierto nuevas fronteras en la química y la biología, proporcionando herramientas poderosas para la investigación científica y la aplicación en la medicina, materiales y más.
