Un “click” da Nobel per una chimica più sostenibile
di Nicole Ticchi
- Materia coinvolta: Chimica
Un “click” da Nobel per una chimica più sostenibile
La strategia delle 3R (riduci, rimpiazza e ricicla) sta assumendo sempre più importanza negli ultimi anni e sono numerosi gli ambiti che vi si ispirano nella corsa all’innovazione. Proprio alla prima di queste R - riduci - fa riferimento la tecnica rivoluzionaria che ha fatto vincere il Premio Nobel a Carolyn Bertozzi, Barry Sharpless e Morten Meldal: si riduce il tempo, la difficoltà e il quantitativo di materiale utilizzato per le reazioni chimiche necessarie a produrre una grande varietà di molecole di grande rilievo in diversi settori, e si facilitano gli studi in ambito biologico.
Stiamo parlando della click chemistry, un approccio piuttosto recente e innovativo nella sintesi di molecole, molto utilizzato nel settore farmaceutico, con il vantaggio notevole di poter accelerare il processo di scoperta di farmaci riducendo notevolmente l’impatto economico e ambientale dei processi. In particolare, è una classe di reazioni che vede coinvolte piccole molecole che sono combinate tra loro per dare luogo a strutture più complesse. Nel settore legato alle scienze della vita, per esempio, piccole molecole
biocompatibili possono essere utilizzate nel processo di bioconiugazione ed essere quindi unite a biomolecole specifiche. Per bioconiugazione si intende l’unione di molecole di cui almeno una è una biomolecola (es. anticorpo, proteina, oligonucleotide). Questi complessi si utilizzano per tracciare specifiche reazioni e vedono un largo utilizzo nel settore delle biotecnologie, della medicina o delle nanotecnologie. La click chemistry ha facilitato notevolmente la produzione di bioconiugati, ampliandone e facilitandone l’utilizzo nella ricerca.
Quali sono gli aspetti rivoluzionari? Le condizioni di reazione. Il principio non è molto diverso da ciò che avviene in cucina, dove le preparazioni “one-pot”, ovvero dove si fa tutto in un unico recipiente, sono sempre più frequenti. La click chemistry segue la stessa filosofia per risparmiare tempo, energia e ridurre gli sprechi, ma con vantaggi decisamente più “chimici”: si può usare molto più spesso l’acqua di quanto non si faccia nella chimica “classica”, si generano pochissimi sottoprodotti di scarto non pericolosi e le reazioni sono caratterizzate da un'elevata forza motrice termodinamica che porta in maniera rapida e irreversibile a un'elevata resa di un singolo prodotto di reazione, con elevata specificità (dal punto di vista stereochimico). Questi aspetti sono importanti non solo per la reazione in sé, ma anche perché riducono la complessità della fase di lavorazione successiva della molecola: isolare e purificare i prodotti di reazione richiede a volte procedure laboriose e costose ed espone al rischio di trattenere ugualmente impurezze che influenzano la tossicità della molecola durante i test biologici in vivo e in vitro.
In sostanza, le condizioni di reazione semplici, i reagenti facilmente disponibili e la possibilità di non utilizzare solventi o usarne di non tossici e facilmente rimovibili, rendono questa tecnica fondamentale nella chimica “green” moderna.
Stiamo parlando della click chemistry, un approccio piuttosto recente e innovativo nella sintesi di molecole, molto utilizzato nel settore farmaceutico, con il vantaggio notevole di poter accelerare il processo di scoperta di farmaci riducendo notevolmente l’impatto economico e ambientale dei processi. In particolare, è una classe di reazioni che vede coinvolte piccole molecole che sono combinate tra loro per dare luogo a strutture più complesse. Nel settore legato alle scienze della vita, per esempio, piccole molecole
biocompatibili possono essere utilizzate nel processo di bioconiugazione ed essere quindi unite a biomolecole specifiche. Per bioconiugazione si intende l’unione di molecole di cui almeno una è una biomolecola (es. anticorpo, proteina, oligonucleotide). Questi complessi si utilizzano per tracciare specifiche reazioni e vedono un largo utilizzo nel settore delle biotecnologie, della medicina o delle nanotecnologie. La click chemistry ha facilitato notevolmente la produzione di bioconiugati, ampliandone e facilitandone l’utilizzo nella ricerca.
Quali sono gli aspetti rivoluzionari? Le condizioni di reazione. Il principio non è molto diverso da ciò che avviene in cucina, dove le preparazioni “one-pot”, ovvero dove si fa tutto in un unico recipiente, sono sempre più frequenti. La click chemistry segue la stessa filosofia per risparmiare tempo, energia e ridurre gli sprechi, ma con vantaggi decisamente più “chimici”: si può usare molto più spesso l’acqua di quanto non si faccia nella chimica “classica”, si generano pochissimi sottoprodotti di scarto non pericolosi e le reazioni sono caratterizzate da un'elevata forza motrice termodinamica che porta in maniera rapida e irreversibile a un'elevata resa di un singolo prodotto di reazione, con elevata specificità (dal punto di vista stereochimico). Questi aspetti sono importanti non solo per la reazione in sé, ma anche perché riducono la complessità della fase di lavorazione successiva della molecola: isolare e purificare i prodotti di reazione richiede a volte procedure laboriose e costose ed espone al rischio di trattenere ugualmente impurezze che influenzano la tossicità della molecola durante i test biologici in vivo e in vitro.
In sostanza, le condizioni di reazione semplici, i reagenti facilmente disponibili e la possibilità di non utilizzare solventi o usarne di non tossici e facilmente rimovibili, rendono questa tecnica fondamentale nella chimica “green” moderna.
Una filiera di scoperte
I tre vincitori del Premio costituiscono un fil rouge perfetto dalla scoperta alle sue applicazioni.
Barry Sharpless, professore di chimica allo Scripps Research Institute di San Diego, ha letteralmente lanciato il sasso per primo. All’inizio degli anni 2000 ha infatti coniato il concetto di click chemistry, proprio mentre era alla ricerca di un metodo per semplificare la produzione di molecole complesse. Le idee erano chiare: ci volevano condizioni più snelle e un metodo di assemblaggio veloce, a partire da piccole molecole, come se si trattasse di una collana di perle. Più facile a dirsi che a farsi, a quel tempo, ma la soluzione arrivò proprio da Morten Meldal, Professore di Chimica all'Università di Copenhagen e secondo chimico ad aver vinto il premio, che quasi “per caso” riuscì a produrre con un passaggio molto semplice, in acqua, una struttura complessa: un anello triazolico (vedi la figura).
Una scoperta che non passò inosservata nel mondo scientifico, in particolare a Carolyn B. Bertozzi, chimica e professoressa alla Stanford University, che ha portato la click chemistry a un nuovo livello. Per mappare biomolecole importanti ma sfuggenti che si trovano sulla superficie esterna delle membrane cellulari - i glicani - ha sviluppato reazioni clic che funzionano all'interno degli organismi viventi. Coniò anch’essa un nuovo termine - bioortogonali - per descrivere le reazioni che avvengono senza interrompere i processi chimici ordinari nella cellula. Queste reazioni sono ora utilizzate a livello globale per esplorare le cellule e tracciare i processi biologici. Utilizzando le reazioni bioortogonali, i ricercatori hanno implementato la ricerca sui target dei farmaci antitumorali attualmente testati in studi clinici, con grande beneficio per l’avanzamento della ricerca applicata per nuove cure.
Barry Sharpless, professore di chimica allo Scripps Research Institute di San Diego, ha letteralmente lanciato il sasso per primo. All’inizio degli anni 2000 ha infatti coniato il concetto di click chemistry, proprio mentre era alla ricerca di un metodo per semplificare la produzione di molecole complesse. Le idee erano chiare: ci volevano condizioni più snelle e un metodo di assemblaggio veloce, a partire da piccole molecole, come se si trattasse di una collana di perle. Più facile a dirsi che a farsi, a quel tempo, ma la soluzione arrivò proprio da Morten Meldal, Professore di Chimica all'Università di Copenhagen e secondo chimico ad aver vinto il premio, che quasi “per caso” riuscì a produrre con un passaggio molto semplice, in acqua, una struttura complessa: un anello triazolico (vedi la figura).
Una scoperta che non passò inosservata nel mondo scientifico, in particolare a Carolyn B. Bertozzi, chimica e professoressa alla Stanford University, che ha portato la click chemistry a un nuovo livello. Per mappare biomolecole importanti ma sfuggenti che si trovano sulla superficie esterna delle membrane cellulari - i glicani - ha sviluppato reazioni clic che funzionano all'interno degli organismi viventi. Coniò anch’essa un nuovo termine - bioortogonali - per descrivere le reazioni che avvengono senza interrompere i processi chimici ordinari nella cellula. Queste reazioni sono ora utilizzate a livello globale per esplorare le cellule e tracciare i processi biologici. Utilizzando le reazioni bioortogonali, i ricercatori hanno implementato la ricerca sui target dei farmaci antitumorali attualmente testati in studi clinici, con grande beneficio per l’avanzamento della ricerca applicata per nuove cure.
Come funziona?
La scoperta di Sharpless-Fokin e Meldal nel 2002 è la cicloaddizione azide-alchino catalizzata da rame (CuAAC) che forma triazoli 1,4-disostituiti, un prototipo di chimica del click bi ortogonale. La presenza del rame accelera questa reazione di cicloaddizione di circa sette ordini di grandezza rispetto alla versione non catalizzata. Le piccole dimensioni delle azidi e degli alchini terminali li rendono popolari tag da incorporare nelle biomolecole, dando luogo a una procedura semplice e selettiva.
Per utilizzare questa tecnica a livello biologico, però, occorre aumentare le caratteristiche di biocompatibilità. Ecco quindi che, proprio nel laboratorio di Carolyn Bertozzi, si è trovato il modo di far avvenire questa reazione anche senza la presenza di rame.
Per utilizzare questa tecnica a livello biologico, però, occorre aumentare le caratteristiche di biocompatibilità. Ecco quindi che, proprio nel laboratorio di Carolyn Bertozzi, si è trovato il modo di far avvenire questa reazione anche senza la presenza di rame.
Schema reazione
Figura 1:Schema di reazione per la produzione di un anello triazolico mediante click chemistry con la presenza di rame (1) e in assenza di rame (2). Nel secondo caso, la reattività della funzionalità alchinica è rafforzata dalla presenza di una struttura ad anello.
Innovazione d'impatto
Che la scoperta di nuovi farmaci e di molecole per indagare i processi cellulari abbia tratto enorme giovamento dalla click chemistry arrivati a questo punto non è più un mistero. Ma sono anche altri gli ambiti di produzione e ricerca a godere di un impatto positivo.
La scienza dei polimeri, per esempio, ha assistito negli ultimi anni a un ampio adattamento di nuove pratiche per progettare e produrre macromolecole su misura a seconda dello specifico utilizzo, con un aumento di efficienza dei processi. Combinate con tecniche di polimerizzazione controllata, proprio le reazioni della click chemistry hanno consentito di ottenere più facilmente architetture complesse, raggiungendo caratteristiche chimico-fisiche e prestazioni ottimali. Le polimerizzazioni a click sono state applicate nella preparazione di una serie di polimeri funzionali caratterizzati sia da strutture lineari sia iper ramificate (un aspetto strutturale che influenza le proprietà e l’utilizzo finale del materiale), come per esempio: i biomateriali (ammidi e derivati dei polisaccaridi), i materiali utilizzati nel settore dell’elettronica e i polimeri a memoria di forma (come quelli utilizzati ad esempio in materassi e cuscini memory foam). Grazie a queste efficienti tecniche di polimerizzazione oggi siamo in grado di disporre di un gran numero di polimeri con proprietà utili, come luminescenza, rifrazione della luce regolabile, biodegradabilità, attività di catalisi, autoassemblaggio e autorigenerazione.
Vent’anni - questa l’età anagrafica della tecnica - sono pochi se li consideriamo sull’arco dell’intero processo di innovazione, ma è stato un tempo sufficiente a far capire l’importanza della click chemistry per il futuro della chimica in un’ottica di sostenibilità ambientale.
La scienza dei polimeri, per esempio, ha assistito negli ultimi anni a un ampio adattamento di nuove pratiche per progettare e produrre macromolecole su misura a seconda dello specifico utilizzo, con un aumento di efficienza dei processi. Combinate con tecniche di polimerizzazione controllata, proprio le reazioni della click chemistry hanno consentito di ottenere più facilmente architetture complesse, raggiungendo caratteristiche chimico-fisiche e prestazioni ottimali. Le polimerizzazioni a click sono state applicate nella preparazione di una serie di polimeri funzionali caratterizzati sia da strutture lineari sia iper ramificate (un aspetto strutturale che influenza le proprietà e l’utilizzo finale del materiale), come per esempio: i biomateriali (ammidi e derivati dei polisaccaridi), i materiali utilizzati nel settore dell’elettronica e i polimeri a memoria di forma (come quelli utilizzati ad esempio in materassi e cuscini memory foam). Grazie a queste efficienti tecniche di polimerizzazione oggi siamo in grado di disporre di un gran numero di polimeri con proprietà utili, come luminescenza, rifrazione della luce regolabile, biodegradabilità, attività di catalisi, autoassemblaggio e autorigenerazione.
Vent’anni - questa l’età anagrafica della tecnica - sono pochi se li consideriamo sull’arco dell’intero processo di innovazione, ma è stato un tempo sufficiente a far capire l’importanza della click chemistry per il futuro della chimica in un’ottica di sostenibilità ambientale.
Fonti bibliografiche
Attività per la classe
Le scoperte e i premi Nobel sono una parte importante della vita di chi si occupa di ricerca scientifica, ma spesso sono richiesti anni affinché ne venga riconosciuta la rilevanza e l’impatto. Di cosa si sono occupati i tre scienziati che hanno vinto il Nobel per la chimica durante la loro carriera e che altre scoperte hanno fatto? Non tutto viene premiato, ma ogni avanzamento nella conoscenza ha la sua importanza.
Fai una ricerca e crea una timeline per ognuno di loro, cercando di capire come sono iniziate e si sono evolute le diverse carriere, poi identifica una modalità smart e comunicativa per raccontare quello che hai scoperto ai tuoi compagni.
Fai una ricerca e crea una timeline per ognuno di loro, cercando di capire come sono iniziate e si sono evolute le diverse carriere, poi identifica una modalità smart e comunicativa per raccontare quello che hai scoperto ai tuoi compagni.
