Il termine chimica bioortogonale si riferisce a qualsiasi reazione chimica che avvenga all'interno di un organismo vivente senza interagire né interferire con i numerosissimi processi biochimici naturali concomitanti.^[1][2][3] Il termine bioortogonale è stato coniato da Carolyn R. Bertozzi nel 2003.^[4] Fin dalla sua introduzione, la chimica bioortogonale ha permesso di studiare biomolecole come glicani, proteine,^[5] e lipidi^[6] in tempo reale in sistemi viventi senza creare problemi di tossicità cellulare.

La chimica bioortogonale permette di studiare molecole biologiche nel loro ambiente naturale. Tipicamente l'utilizzo della chimica bioortogonale avviene in due fasi. In primo luogo si inserisce un gruppo funzionale estraneo (detto reporter chimico) in un substrato biologico; i substrati possono essere metaboliti, inibitori enzimatici, ecc. Il reporter chimico non deve alterare in modo significativo la struttura del substrato per evitare di comprometterne la normale attività biologica. Successivamente il substrato biologico funzionalizzato viene marcato tramite una reazione chimica bioortogonale, legando al reporter un gruppo funzionale complementare collegato ad una sonda opportuna (ad esempio un marcatore fluorescente).

Una reazione deve soddisfare a numerosi requisiti per poter essere considerata bioortogonale:

• Selettività: la reazione tra gruppi funzionali endogeni deve essere selettiva in modo da evitare reazioni collaterali con i composti biologici.
• Inerzia biologica: i gruppi che reagiscono e il legame risultante non devono disturbare in alcun modo la funzionalità chimica presente nell'organismo in esame.
• Inerzia chimica: il legame covalente formato deve essere forte e inerte rispetto alle reazioni biologiche.
• Cinetica: la reazione deve essere veloce in modo da formare il legame covalente prima che la sonda sia metabolizzata e smaltita. La reazione deve essere veloce nella scala temporale dei processi cellulari (minuti) per evitare la competizione con reazioni che possono diminuire i segnali deboli di specie meno abbondanti. Le reazioni veloci offrono anche una risposta rapida, come necessario per monitorare con precisione processi dinamici.
• Biocompatibilità: la reazione deve essere atossica e deve avvenire in condizioni biologiche, tenendo presente pH, ambiente acquoso e temperatura. La farmacocinetica è un aspetto sempre più importante dato che la chimica bioortogonale si sta estendendo a modelli animali vivi.
• Accessibilità: deve essere possibile modificare chimicamente la biomolecola di interesse per incorporarvi il reporter chimico. Idealmente uno dei gruppi funzionali deve essere molto piccolo in modo da non alterare il comportamento naturale.

La prima reazione utilizzata in chimica bioortogonale per la marcatura di substrati biologici è stata la legatura di Staudinger, introdotta da Bertozzi nel 2000. Questa reazione è basata sulla classica reazione di Staudinger tra azidi e triarilfosfine, due gruppi funzionali completamente abiotici.^[7] La legatura di Staudinger è stata impiegata in vivo sia in cellule che in topi, ma non è più molto usata.^[4]

Successivamente fu introdotta una variante della cicloaddizione di Huisgen azide-alchino, ora nota come click chemistry senza rame. In questo caso la reazione avviene tra i gruppi azide e cicloottino.^[4]

I seguito sono state sviluppate numerose altre reazioni che soddisfano i criteri di bioortogonalità. Un elenco parziale comprende:

• la reazione tra nitroni e cicloottini^[8]
• la formazione di ossime o idrazoni da aldeidi e chetoni^[9]
• la legatura della tetrazina con il trans-cicloottene^[10]
• la reazione "click" basata su isocianuri e tetrazine^[11]
• la legatura tra quadriciclano e complessi di nichel bis(ditiolene)^[12]
• la reazione di accoppiamento di Sonogashira^[13]

• (EN) M. L. Blackman, M. Royzen e J. M. Fox, The Tetrazine Ligation: Fast Bioconjugation based on Inverse-electron-demand Diels-Alder Reactivity, in Journal of the American Chemical Society, vol. 130, n. 41, 2008, pp. 13518–13519, DOI:10.1021/ja8053805.
• (EN) J. Li, S. Lin, J. Wang, S. Jia e altri, Ligand-Free Palladium-Mediated Site-Specific Protein Labeling Inside Gram-Negative Bacterial Pathogens, in Journal of American Chemical Society, vol. 135, n. 19, 2013, pp. 7330-7338, DOI:10.1021/ja402424j.
• (EN) A. B. Neef e C. Schultz, Selective Fluorescence Labeling of Lipids in Living Cells, in Angewandte Chemie International Edition, vol. 48, n. 8, 2009, pp. 1498-1500, DOI:10.1002/anie.200805507, PMID 19145623.
• (EN) X. Ning, R. P. Temming, J. Dommerholt, J. Guo e altri, Protein Modification by Strain-Promoted Alkyne-Nitrone Cycloaddition, in Angewandte Chemie International Edition, vol. 49, n. 17, 2010, pp. 3065–3068, DOI:10.1002/anie.201000408.
• (EN) T. Plass, S. Milles, C. Koehler, C. Schultz e E. A. Lemke, Genetically Encoded Copper-Free Click Chemistry, in Angewandte Chemie International Edition, vol. 50, n. 17, 2011, pp. 3878–3881, DOI:10.1002/anie.201008178, PMC 3210829, PMID 21433234.
• (EN) J. A. Prescher, D. H. Dube e C. R. Bertozzi, Chemical remodelling of cell surfaces in living animals, in Nature, vol. 430, n. 7002, 2004, pp. 873–877, DOI:10.1038/nature02791, PMID 15318217.
• (EN) J. A. Prescher e C. R. Bertozzi, Chemistry in living systems, in Nature Chemical Biology, vol. 1, n. 1, 2005, pp. 13,21, DOI:10.1038/nchembio0605-13, PMID 16407987.
• (EN) E. Saxon e C. R. Bertozzi, Cell Surface Engineering by a Modified Staudinger Reaction, in Science, vol. 287, n. 5460, 2000, pp. 2007–2010, DOI:10.1126/science.287.5460.2007.
• (EN) E. M. Sletten e C. R. Bertozzi, Bioorthogonal Chemistry: Fishing for Selectivity in a Sea of Functionality, in Angewandte Chemie International Edition, vol. 48, n. 38, 2009, pp. 6974–98, DOI:10.1002/anie.200900942, PMC 2864149, PMID 19714693.
• (EN) E. M. Sletten e C. R. Bertozzi, From Mechanism to Mouse: A Tale of Two Bioorthogonal Reactions, in Accounts of Chemical Research, vol. 44, n. 9, 2011, pp. 666–676, DOI:10.1021/ar200148z, PMC 3184615, PMID 21838330.
• (EN) E. M. Sletten e C. R. Bertozzi, A Bioorthogonal Quadricyclane Ligation, in Journal of the American Chemical Society, vol. 133, n. 44, 2011, pp. 17570–17573, DOI:10.1021/ja2072934.
• (EN) H. Stöckmann, A. A. Neves, S. Stairs, K. M. Brindleb e F. J. Leeper, Exploring isonitrile-based click chemistry for ligation with biomolecules, in Organic & Biomolecular Chemistry, vol. 9, n. 21, 2011, pp. 7303–7305, DOI:10.1039/C1OB06424J.
• (EN) K. J. Yarema, L. K. Mahal, R. E. Bruehl, E. C. Rodriguez e C. R. Bertozzi, Metabolic Delivery of Ketone Groups to Sialic Acid Residues. Application to Cell Surface Glycoform Engineering, in Journal of Biological Chemistry, vol. 273, n. 47, 1998, pp. 31168–31179, DOI:10.1074/jbc.273.47.31168.

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