Los carbohidratos son moléculas complejas, difícil de sintetizar en el laboratorio, pero hacerlo es útil para estudiar azúcares beneficiosos como los que se encuentran en la leche materna humana, o permitir a los investigadores adaptar la estructura química de los fármacos candidatos, vacunas y productos naturales.

Los químicos de la Universidad de Michigan han desarrollado un método simple para sintetizar carbohidratos que amplía la gama de laboratorios que pueden usar química sintética para generar y estudiar nuevas estructuras de carbohidratos. Sus resultados se publican en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

"Ácidos nucleicos, proteínas, y los carbohidratos son tres de los componentes básicos que aprende en sus clases de biología, "dijo el autor principal John Montgomery, profesor de química y química médica. “La química ha podido automatizar la preparación de ácidos nucleicos y proteínas hasta donde el acceso a estas estructuras es rutinario, pero los carbohidratos son órdenes de magnitud más difíciles de preparar. Se están realizando algunos avances increíbles en la automatización de la síntesis de carbohidratos, pero el hecho es que se trata de una química difícil que está frenando los avances en glucobiología ".

Los carbohidratos tienen una gran diversidad estructural, patrones de ramificación complejos, y arquitectura 3-D que obstaculiza la capacidad de los científicos para sintetizar los compuestos, dice Montgomery. Al usar un grupo de silicio para pre-diseñar cómo reaccionarán los carbohidratos entre sí, El método del equipo de la UM es capaz de controlar el patrón de ramificación de los carbohidratos y reducir los pasos necesarios para acceder a estructuras más complejas.

Por ejemplo, Las moléculas de carbohidratos consisten típicamente en carbono, hidrógeno, átomos de oxígeno y, a veces, de nitrógeno y varían en longitud, siendo los azúcares de cinco y seis carbonos los más prevalentes. La mayoría de los átomos de carbono tienen un grupo alcohol, que se puede conectar al siguiente carbohidrato en una miríada de patrones posibles.

"Esta característica de ramificación es lo que hace que la química sintética sea muy tediosa porque hay que controlar la selectividad entre qué parte de la molécula va a reaccionar con la siguiente, "Dijo Montgomery.

Para controlar cómo esos grupos de alcohol unen los carbohidratos, Montgomery y su equipo colocaron "grupos protectores" de silicio en alcoholes seleccionados dentro de un carbohidrato.

"Normalmente, los grupos protectores deben activarse y desactivarse durante la síntesis, agregando tiempo y costo al procedimiento. Nuestra estrategia está diseñada para que el grupo protector se caiga naturalmente durante la reacción de acoplamiento y cronometra la secuencia del grupo alcohol que reacciona cuando se desea. ", Dijo Montgomery." Con este enfoque, podemos revertir la reactividad de dos alcoholes, o podemos tomar dos alcoholes que normalmente tendrían una reactividad similar y hacer que uno reaccione selectivamente sobre el otro sin pasos adicionales ".

Luego, los investigadores pueden controlar la estereoquímica de los carbohidratos (la disposición tridimensional de la molécula de carbohidratos) haciendo reacciones entre los carbohidratos ya sea intermolecular o intramolecular. Si la reacción es intermolecular, eso significa que la reacción ocurre entre dos moléculas diferentes. Si la reacción es intramolecular, eso significa que se ensambla una sola molécula en la que los dos azúcares se conectan a través del silicio antes de la reacción.

Tanto el patrón de ramificación como la estereoquímica de los carbohidratos impactan en la arquitectura tridimensional general del azúcar, pero este aspecto estructural también presenta dificultad para sintetizar los azúcares.

Debido a que las moléculas de azúcar son tan complejas, hay una "enorme cantidad de combinaciones estadísticamente posibles si tuviera cinco azúcares, por ejemplo, ", Dijo Montgomery." El número puede estar en los miles de millones de combinaciones incluso para estas cadenas de carbohidratos relativamente cortas. Esa diversidad es lo que hace que los carbohidratos sean tan especiales para el reconocimiento molecular en la naturaleza, pero también hace que la síntesis sea extremadamente difícil ".

El método del equipo es particularmente útil porque el uso de la función de control de silicio permite a los investigadores reducir el número de reacciones separadas para crear una cadena de carbohidratos en un solo paso. En este enfoque, el elemento de control de silicio permite que las reacciones se produzcan con tres azúcares diferentes en la secuencia adecuada para que se pueda sintetizar un trisacárido en un paso sintético. Esos pequeños grupos pueden luego conectarse más para acceder a cadenas más complejas de una manera muy rápida.

"Puede configurar varias posibilidades reactivas y hacer que caigan en cascada en la secuencia adecuada, ", Dijo Montgomery." Cosas que normalmente ejecutarías en una serie de reacciones separadas, podemos usar ese elemento de control de silicio para básicamente hacer que todo suceda en el matraz de reacción a la vez. Seguimos mejorando este aspecto con nuevas estructuras catalizadoras, pero creo que la estrategia tiene el potencial de ser muy poderosa ".

Colaborador computacional Paul Zimmerman, coautor del estudio y profesor de química, proporciona información sobre cómo funciona el proceso y cómo mejorarlo.

Finalmente, Los métodos tradicionales de unir carbohidratos son muy sensibles al agua y sensibles a la temperatura. El método del equipo de la U-M utiliza reactivos comerciales que pueden usarse sin purificación o secado para inducir reacciones químicas. y realizó todos sus procedimientos a temperatura ambiente.

La investigación de Montgomery fue apoyada por el programa Glycoscience del Fondo Común de los Institutos Nacionales de Salud. El Fondo Común se estableció para proporcionar un enfoque interdisciplinario sobre los desafíos científicos en la investigación biomédica. Montgomery y U-M han presentado una solicitud de patente provisional sobre este trabajo.