Прорыв в науке: Открытия в области биохимии

Основные факты:

Этап: Ученые разработали химическую рецептуру для наблюдения за молекулами в живых организмах.
Дата: 23 октября 2007 года
Место: Университет Калифорнии, Беркли и другие лаборатории
Кто: Команда ученых под руководством Кэролин Бертоцци

В 2007 году ученые опубликовали статью, в которой представили рецепт нового типа биохимии. Этот метод позволил бы ученым видеть, что происходит в организмах в реальном времени. Кэролин Бертоцци, тогда биохимик в Университете Калифорнии, Беркли, и ее лаборатория трудились на протяжении многих лет, пытаясь визуализировать гликаны — специальные углеводные молекулы, присутствующие на поверхности клеток.

Гликаны являются одной из трех основных классов биомолекул (наряду с белками и нуклеиновыми кислотами) и были связаны с воспалением и болезнями, однако их визуализация представляла трудности для ученых. Чтобы решить эту задачу, Бертоцци оперлась на химический подход, впервые предложенный биохимиками К. Барри Шарплесом и Мортеном Мелдалем.

Шарплес представил концепцию «клик-химии» — подхода к быстрому созданию сложных биомолекул путём соединения более простых составных частей. Биологические молекулы часто имеют каркас из связанных углеродных атомов, но само по себе связывание углеродов является сложной задачей. Это означало, что исторически химикам приходилось использовать кропотливые и многогранные процессы, оставляющие нежелательные побочные продукты.

Шарплес осознал, что можно упростить и расширить этот процесс, если удастся соединить простые молекулы, уже имеющие полный углеродный каркас. Нужен был простой, мощный и надежный соединитель. В отдельности Шарплес и Мелдал нашли этот критически важный соединитель: химическая реакция между соединениями азид и алкин, дополненная медью как катализатором.

Тем не менее, у Бертоцци возникла проблема: медь очень токсична для клеток. Она начала искать решения и нашла их в многолетних исследованиях: азид и алкин реагируют «взрывным образом», не требуя катализатора, если алкин принимает кольцевую форму.

В действиях 2004 года её команда доказала, что эта реакция может быть использована для прикрепления азидных молекул к живым клеткам без их повреждения. А в 2007 году Бертоцци и её коллеги использовали этот метод, чтобы визуализировать гликаны в живых клетках хомяков.

Процесс состоял в том, чтобы встроить углеводную молекулу с модифицированным азидом в гликаны клеток. Когда они добавили кольцевую молекулу алкина, связанную с зеленым флуоресцентным белком, азид и алкин соединились, и светящийся зеленый белок показал, где находятся гликаны в клетке.

Бертоцци назвала этот процесс «биоортогональной» клик-химией, так как он не вмешивался в биологические процессы, происходящие в клетке. Её работа стала важной в понимании того, как маленькие молекулы перемещаются по живым клеткам.

Влияние на науку

Это новаторское открытие открыло новые горизонты в биомедицинских исследованиях. Методы визуализации помогли отслеживать гликаны в эмбрионах зебр, изучать, как раковые клетки маскируются от иммунного ответа, и разрабатывать радиоактивные «трекеры» для биомедицинской визуализации. Более того, клик-химия значительно ускорила процесс открытия новых лекарств.

В 2022 году Шарплес, Мелдал и Бертоцци были удостоены Нобелевской премии по химии за свои работы в области клик-химии, тем самым подтверждая значимость их открытия для науки и медицины.