Nowa reakcja fotochemiczna może tworzyć wiązania glikozydowe w „nagich”, natywnych cukrach, bez potrzeby stosowania grup zabezpieczających.

Podczas gdy najnowocześniejsze metody syntezy obejmują kilka etapów, badacze opracowali „reaktywny półprodukt”, który jest stabilny w warunkach laboratoryjnych i łatwo łączy się z różnymi nukleofilami, w tym z białkami. „Odniosłabym bezpośrednie korzyści z tego podejścia podczas mojej pracy dyplomowej” – mówi laureatka Nagrody Nobla z 2022 r. Carolyn Bertozzi, ekspertka w dziedzinie chemii cukru na Uniwersytecie Stanforda w USA. Zastąpienie tlenu w wiązaniach glikozydowych innymi atomami, takimi jak węgiel w przypadku C-glikozydów, powoduje powstanie bardziej stabilnych cukrów i naśladowców cukru, co może znaleźć zastosowanie w opracowywaniu leków.

Tutaj badacze bezpośrednio i skutecznie funkcjonalizują cukry, dając dostęp do użytecznych cząsteczek bioaktywnych, odpornych na degradację enzymatyczną dzięki anomerycznemu wiązaniu węgiel-węgiel, wyjaśnia Bertozzi. „W dawnych czasach radykalne reakcje C-glikozylacji wymagały znacznie większej liczby etapów i stosowania toksycznych inicjatorów metali – co nie było zabawne!” ona mówi. Nawet najlepsze podejścia, które działały również na rodzimych cukrach, obejmują cztery lub pięć kroków, czasami z użyciem ostrych odczynników i generujących dużo odpadów. „Zastosowanie mechanizmu fotoredoksowego było mądrym wyborem, ponieważ skład chemiczny jest łagodny, selektywny i kompatybilny z wodnymi rozpuszczalnikami, które są wymagane w przypadku wolnych substratów cukrowych” – dodaje Bertozzi.

„Ta metoda bezpośrednio przekształca rodzime cukry – najpowszechniejszą formę występującą w przyrodzie – w różne klasy związków glikozylowych i glikoprotein” – wyjaśnia Ming Joo Koh z Narodowego Uniwersytetu w Singapurze, który był współkierownikiem badania. „Zapewniamy solidną platformę do bezpośredniego wykorzystania rodzimych cukrów jako substratów”.

Metoda inspirowana jest enzymatycznymi reakcjami glikozylacji, w których pozycja anomeryczna jest aktywowana, a następnie podstawiona przez substrat, w sposób selektywny miejscowo i stereokontrolowany. W tym przypadku badacze zastępują anomeryczną grupę hydroksylową tiolem odciągającym elektrony. Ten półprodukt jest łatwy do wyizolowania i wystarczająco stabilny, aby przetrwać na stanowisku laboratoryjnym przez wiele miesięcy bez jakiejkolwiek degradacji lub rozkładu. Jednak odrobina światła wywołuje jego reaktywność. „Tioglikozyd [intermediate] jest wystarczająco aktywny redoks, aby przejść stereokontrolowaną, fotoindukowaną glikozylację w obecności niebieskiego światła, reduktora i zasady” – mówi Koh.

„To bardzo ekscytujący rozwój w tej dziedzinie, zwłaszcza że proces jest prosty i bardzo wydajny przy użyciu gotowych odczynników” – wyjaśnia Carmen Galán, ekspert w dziedzinie chemii cukru na Uniwersytecie w Bristolu w Wielkiej Brytanii. „Pomimo wielu postępów w tej dziedzinie, stereoselektywna synteza chemiczna glikozydów pozostaje ogromnym wyzwaniem” – mówi.

Aby uzyskać podobne wyniki, większość reakcji glikozylacji „polega na wprowadzeniu utajonej grupy opuszczającej w pozycji anomerycznej, aktywowanej w obecności nukleofila, aby przejść reakcję sprzęgania”, wyjaśnia Galán. Ponadto często inne grupy ochronne zapewniają regio- i stereoselektywność, zawsze strategicznie dobierane dla każdego cukru, wyjaśnia. Złożoność ochrony, deprotekcji i wszystkich dodatkowych etapów – a prawdopodobnie również procesów oczyszczania – tworzy ogromne wąskie gardło w syntezie związków glikozydowych. W tym artykule autorzy pokonują większość przeszkód. „Metoda ta eliminuje stosowanie grup ochronnych w donorze glikozylowym poprzez aktywację alkoholu anomerycznego za pomocą „reakcji zamykania”, która generuje reaktywny produkt pośredni”, kontynuuje Galán. Produkt pośredni ulega reakcji fotoindukowanej i tworzy wiązania glikozydowe z węglem, siarką, selenem i tlenem. Wszystkie te „wysokiej wartości” związki chemiczne pochodzą z „bardzo czystego” procesu, mówi. „Warunki są łagodne, co pozwala na lepszą kontrolę i mniejszą liczbę produktów ubocznych… bardzo przypomina to naturalne procesy enzymatyczne”.

„Natura robi to samo” – twierdzi Ben Davis z Uniwersytetu Oksfordzkiego w Wielkiej Brytanii, który był współkierownikiem badania. „To niezwykłe, jesteśmy pełni UDP-glukozy, która jest stabilna [yet] potencjalnie wysoce reaktywny cukier, który cały czas pulsuje w naszych ciałach” – mówi Davis. — Ale nic się z nim nie dzieje, dopóki nie dotrze we właściwe miejsce. Coś podobnego dzieje się z pośrednim tioglikozydem, stabilnym i bezpiecznym, dopóki nie zostanie włączone światło. „Znaleźliśmy kolejne idealne miejsce do przechowywania ukrytej reaktywności w niechronionym środowisku [sugar] cząsteczka, gotowa do działania.

Wszechstronność glikozylacji rozciąga się na bezpośrednią funkcjonalizację białek, co do tej pory było również dość skomplikowane dla chemików. „Jestem pod wrażeniem radykalnej C-glikozylacji na … białkach w biokompatybilnych warunkach” — mówi Bertozzi. „To uzupełnia zestaw narzędzi metod modyfikacji białek do zastosowań biotechnologicznych” — mówi. Ze względu na długoterminową stabilność „zamkniętego” pośredniego tioglikozydu, koncepcję można by skalować i komercjalizować. „Po optymalizacji można by sobie wyobrazić wykorzystanie przepływowych reaktorów fotochemicznych do przeprowadzenia niektórych z opisanych transformacji” — dodaje Galán.