I carboidrati sono molecole complesse, difficile da sintetizzare in laboratorio, ma farlo è utile per studiare gli zuccheri benefici come quelli che si trovano nel latte materno umano, o consentire ai ricercatori di adattare la struttura chimica dei candidati farmaci, vaccini e prodotti naturali.

I chimici dell'Università del Michigan hanno sviluppato un metodo semplice per sintetizzare i carboidrati che amplia la gamma di laboratori che possono utilizzare la chimica sintetica per generare e studiare nuove strutture di carboidrati. I loro risultati sono pubblicati nel Giornale della Società Chimica Americana .

"Acidi nucleici, proteine, e i carboidrati sono tre dei mattoni di base che impari nelle tue lezioni di biologia, " ha detto l'autore principale John Montgomery, professore di chimica e chimica farmaceutica. "La chimica è stata in grado di automatizzare la preparazione di acidi nucleici e proteine ​​laddove l'accesso a queste strutture è di routine, ma i carboidrati sono ordini di grandezza più difficili da preparare. Ci sono alcuni incredibili progressi nell'automazione della sintesi dei carboidrati, ma resta il fatto che questa è una chimica difficile che sta frenando i progressi nella glicobiologia".

I carboidrati hanno una grande diversità strutturale, schemi di ramificazione complessi, e architettura 3-D che ostacolano la capacità degli scienziati di sintetizzare i composti, dice Montgomery. Utilizzando un gruppo di silicio per pre-ingegnerizzare come i carboidrati reagiranno tra loro, il metodo del team U-M è in grado di controllare il pattern di ramificazione dei carboidrati e ridurre i passaggi necessari per accedere a strutture più complesse.

Per esempio, le molecole di carboidrati sono tipicamente costituite da carbonio, idrogeno, atomi di ossigeno e talvolta di azoto e variano in lunghezza, con gli zuccheri a cinque e sei atomi di carbonio prevalenti. La maggior parte degli atomi di carbonio ha un gruppo alcolico, che può essere collegato al carboidrato successivo in una miriade di possibili schemi.

"Questa caratteristica di ramificazione è ciò che rende la chimica sintetica molto noiosa perché devi controllare la selettività tra quale parte della molecola reagirà con la successiva, " ha detto Montgomery.

Per controllare il modo in cui questi gruppi di alcolici combinano i carboidrati, Montgomery e il suo team hanno messo "gruppi protettivi" di silicio su alcoli selezionati all'interno di un carboidrato.

"Normalmente i gruppi protettivi devono essere attivati ​​e disattivati ​​durante la sintesi, aggiungendo tempi e costi alla procedura. La nostra strategia è progettata in modo che il gruppo protettivo cada naturalmente durante la reazione di accoppiamento e cronometra la sequenza di cui il gruppo alcolico reagisce quando desiderato, " Montgomery ha detto. "Con questo approccio, possiamo invertire la reattività di due alcoli, oppure possiamo prendere due alcoli che normalmente avrebbero una reattività simile e far sì che uno reagisca selettivamente sull'altro senza ulteriori passaggi".

Quindi, i ricercatori possono controllare la stereochimica dei carboidrati, la disposizione tridimensionale della molecola dei carboidrati, effettuando reazioni tra i carboidrati sia intermolecolari che intramolecolari. Se la reazione è intermolecolare, ciò significa che la reazione avviene tra due molecole diverse. Se la reazione è intramolecolare, ciò significa che viene assemblata un'unica molecola in cui i due zuccheri sono collegati tramite silicio prima della reazione.

Sia il modello di ramificazione che la stereochimica del carboidrato influiscono sull'architettura tridimensionale complessiva dello zucchero, ma questo aspetto strutturale presenta anche difficoltà di sintesi degli zuccheri.

Poiché le molecole di zucchero sono così complesse, c'è un "numero enorme di combinazioni statisticamente possibili se avessi cinque zuccheri, Per esempio, " Montgomery ha detto. "Il numero può essere di miliardi di combinazioni anche per queste catene di carboidrati relativamente corte. Questa diversità è ciò che rende i carboidrati così speciali per il riconoscimento molecolare in natura, ma rende anche la sintesi estremamente dura."

Il metodo del team è particolarmente utile perché l'utilizzo della funzione di controllo del silicio consente ai ricercatori di ridurre il numero di reazioni separate per creare una catena di carboidrati in un unico passaggio. In questo approccio, l'elemento di controllo del silicio consente che le reazioni avvengano con tre diversi zuccheri nella giusta sequenza in modo che un trisaccaride possa essere sintetizzato in un unico passaggio sintetico. Questi piccoli raggruppamenti possono quindi essere ulteriormente collegati per accedere a catene più complesse in modo molto rapido.

"Puoi impostare più possibilità reattive e farle cascata nella sequenza corretta, " Montgomery ha detto. "Cose che normalmente eseguiresti in una serie di reazioni separate:possiamo usare quell'elemento di controllo del silicio per fare in modo che tutto accada nel pallone di reazione in una volta. Stiamo ancora migliorando questo aspetto con nuove strutture catalitiche, ma penso che la strategia abbia il potenziale per essere molto potente".

Il collaboratore computazionale Paul Zimmerman, coautore dello studio e professore di chimica, fornisce approfondimenti su come funziona il processo e su come migliorarlo.

Finalmente, i metodi tradizionali di associazione dei carboidrati sono molto sensibili all'acqua e alla temperatura. Il metodo del team U-M utilizza reagenti commerciali che possono essere utilizzati senza purificazione o essiccazione per indurre reazioni chimiche, e ha eseguito tutte le sue procedure a temperatura ambiente.

La ricerca di Montgomery è stata supportata dal programma Glycoscience del National Institutes of Health Common Fund. Il Fondo comune è stato istituito per fornire un focus interdisciplinare sulle sfide scientifiche nella ricerca biomedica. Montgomery e UM hanno presentato una domanda di brevetto provvisoria su questo lavoro.