Кіріспе
Кішкентай молекулалық реакциялар, таңдалған субстраттарды нақты биомолекулалармен қосуға мүмкіндік береді. Химиялық синтезде, "клик химиясы" – екі молекулалық бірліктерді қосу үшін жиі қолданылатын, қарапайым және атомдық тиімді реакциялар класы. "Клик химиясы" – нақты бір реакция емес, ол табиғаттағы үлгілерге сәйкес келетін өнімдерді жасау әдісін сипаттайды, бұл процесте кішкентай модульдік бірліктер біріктіріліп, заттар құралады. Көптеген жағдайларда, "клик" реакциялары биомолекула мен репортерлік молекуланың қосылуын қамтамасыз етеді. "Клик химиясы" биологиялық жағдайлармен ғана шектелмейді: "клик" реакциясының түсінігі химиопротеомика, фармакология, биомиметика және молекулалық машиналар салаларында қолданылады. Дегенмен, олар биомолекулаларды анықтау, орналастыру және сипаттауда ерекше пайдалы. "Клик" реакциялары бір ыдыста жүзеге асады, судың әсеріне ұшырамайды, минималды және зиянсыз қосалқы өнімдер тудырады және жоғары термодинамикалық күшпен сипатталады – бұл реакцияны жылдам және қайтымсыз түрде бір өнімге дейін жеткізеді, реакцияның жоғары ерекшелігін қамтамасыз етеді (кейбір жағдайларда, регио және стерео ерекшелікпен). Осы қасиеттері "клик" реакцияларын күрделі биологиялық ортадағы молекулаларды оқшаулау және нысанаға бағыттау мәселесіне өте қолайлы етеді. Мұндай ортада өнімдер физиологиялық тұрақты болуы керек, ал кез келген қосалқы өнімдер уытты болмауы тиіс (in vivo жүйелер үшін). Нақты және бақыланатын биоортогональды реакцияларды жасау арқылы ғалымдар күрделі жасуша лизаттарындағы нақты нысаналарды анықтау мүмкіндігін ашты. Соңғы уақыттарда ғалымдар "клик химиясын" тірі жасушаларда қолдануға бейімдеді, мысалы, кішкентай молекулалық зондтарды пайдаланып, олардың нысаналарын табу және "клик" реакциялары арқылы бекіту. Жасушалардың өткізгіштігі, биоортогоналдылығы, фондық таңбалау және реакция тиімділігі сынды қиындықтарға қарамастан, "клик" реакциялары жаңа буын кері тартымды эксперименттерде (мысалы, нақты бағанға байланысатын репортерлік молекулаларды қолдана отырып, нақты нысаналарды оқшаулау) және флуоресценциялық спектрометрияда (флуорофор қызығушылық тудыратын нысанаға қосылады және нысана мөлшерленеді немесе орналасады) пайдалы болып табылды. Жақында биомолекулаларға "клик" реакциясының серіктестерін қосу үшін жаңа әдістер қолданылды, соның ішінде реактивті топтарды қамтитын табиғи емес аминқышқылдарын ақуыздарға қосу және нуклеотидтерді өзгерту. Бұл әдістер химиялық биология саласының бір бөлігін құрайды, онда "клик химиясы" модульдік бірліктерді әртүрлі мақсаттарға қасақана және арнайы қосу арқылы маңызды рөл атқарады. "Клик химиясы" термині 1998 жылы К. Барри Шарплесстің әйелі Ян Дюсер ұсынған, ал 2001 жылы Шарплес, Хартмут К. Колб және М. Г. Финн Скриппс зерттеу институтында толық сипаттаған. 2022 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығы "клик химиясы мен биоортогональды химияны жасағаны үшін" Каролин Р. Бертоцци, Мортен П. Мелдал және К. Барри Шарплеске бірлесіп табысталды.
In chemical synthesis, click chemistry is a class of simple, atom economy reactions commonly used for joining two molecular entities of choice. Click chemistry is not a single specific reaction, but describes a way of generating products that follow examples in nature, which also generates substances by joining small modular units. In many applications, click reactions join a biomolecule and a reporter molecule. Click chemistry is not limited to biological conditions: the concept of a "click" reaction has been used in chemoproteomic, pharmacological, biomimetic and molecular machinery applications. However, they have been made notably useful in the detection, localization and qualification of biomolecules. Click reactions occur in one pot, are not disturbed by water, generate minimal and inoffensive byproducts, and are "spring loaded"—characterized by a high thermodynamic driving force that drives it quickly and irreversibly to high yield of a single reaction product, with high reaction specificity (in some cases, with both regio and stereo specificity). These qualities make click reactions particularly suitable to the problem of isolating and targeting molecules in complex biological environments. In such environments, products accordingly need to be physiologically stable and any byproducts need to be non toxic (for in vivo systems). By developing specific and controllable bioorthogonal reactions, scientists have opened up the possibility of hitting particular targets in complex cell lysates. Recently, scientists have adapted click chemistry for use in live cells, for example using small molecule probes that find and attach to their targets by click reactions. Despite challenges of cell permeability, bioorthogonality, background labeling, and reaction efficiency, click reactions have already proven useful in a new generation of pulldown experiments (in which particular targets can be isolated using, for instance, reporter molecules which bind to a certain column), and fluorescence spectrometry (in which the fluorophore is attached to a target of interest and the target quantified or located). More recently, novel methods have been used to incorporate click reaction partners onto and into biomolecules, including the incorporation of unnatural amino acids containing reactive groups into proteins and the modification of nucleotides. These techniques represent a part of the field of chemical biology, in which click chemistry plays a fundamental role by intentionally and specifically coupling modular units to various ends. The term "click chemistry" was coined by K. Barry Sharpless' wife, Jan Dueser, in 1998, and was first fully described by Sharpless, Hartmuth C. Kolb, and M. G. Finn of The Scripps Research Institute in 2001. In 2022, the Nobel Prize in Chemistry was jointly awarded to Carolyn R. Bertozzi, Morten P. Meldal and K. Barry Sharpless, "for the development of click chemistry and bioorthogonal chemistry".
Өмірбаян
Клик химиясы – биоконъюгация деп аталатын процесс, яғни белгілі бір биомолекулаға зонд немесе қызығушылық тудыратын субстратты қосу әдісі. Флюорофорлар мен басқа да репортерлік молекулаларды қосу мүмкіндігі клик химиясын ескі және жаңа биомолекулаларды анықтау, орналастыру және сипаттау үшін өте қуатты құралға айналдырды. Биоконъюгацияның ең алғашқы және маңызды әдістерінің бірі – қызығушылық тудыратын биомолекуланың ашық оқу фреймінде репортерді экспрессиялау болды. Атап айтқанда, жасыл флуоресцентті ақуыз (GFP) алғаш рет (және қазір де) көптеген ақуыздардың N немесе C терминалында осылай экспрессияланды. Дегенмен, бұл тәсіл бірнеше қиындықтармен байланысты. Мысалы, GFP өте ірі молекула болып табылады және көбінесе қызығушылық тудыратын ақуыздың бүктелуіне әсер етеді. Сонымен қатар, GFP аддуктының екі терминалда да экспрессиялануы қажетті ақуыздың таңдамалылығына және экспрессиясына да әсер етуі мүмкін. Соңында, бұл әдіс GFP-ті тек ақуыздарға ғана қосуға мүмкіндік береді, ал трансляциядан кейін емес, сондықтан басқа маңызды биомолекулалық кластар (нуклеин қышқылдары, липидтер, көмірсулар және т.б.) қол жеткізбейді. Осы қиындықтарды жеңу үшін химиктер биоортогоналды реакция серіктестерінің жұптарын анықтауға басымдық берді, осылайша кішкентай экзогенді молекулаларды биомолекулалық зондтар ретінде пайдалануға мүмкіндік туды. Флюорофорды осы зондтардың біріне қосып, репортерлік молекула нысанаға байланысқанда флюоресценция сигналын алуға болады, дәл сияқты GFP нысанамен бірге экспрессияланғанда флюоресценция жасайды. Енді зондтың химиясынан оның нысанасына қатысты шектеулер пайда болады. Бұл техника биологиялық жүйелерде пайдалы болу үшін клик химиясы биологиялық жағдайларда немесе оған жақын жағдайларда өтуі керек, аздаған және (идеалды жағдайда) уытсыз қосалқы өнімдер тудыруы керек, (қажеттісі) бір және тұрақты өнімдерді осы жағдайларда алуы керек, сондай-ақ бір ыдыста жоғары өнімділікке тез жетуі керек. Стаудингер лигациясы және Хуисгеннің 1,3-диполярлы циклоаддициясы сияқты қолданыстағы реакциялар осындай реакция жағдайларына бейімделіп, оңтайландырылды. Бүгінде бұл сала бойынша зерттеулер жаңа реакцияларды түсіну және дамыту, белгілі реакцияларды қайта мақсаттау және қайта түсіну, сондай-ақ реакция серіктестерін тірі жүйелерге енгізу, жаңа реакция серіктестерін жасау және биоконъюгация үшін жаңа қолданыстарды әзірлеуге бағытталған. Shasqi биотехнологиялық компаниясы – клик химиясын адамдарда қолданатын компания.
Азид-алкин циклоқосылуы (SPAAC)
Бертоцци тобы Huisgen мыссыз шерту реакциясын одан әрі дамытып, CuAAC реакциясының цитотоксикалық әсерін жеңуге тырысты. Алкинді белсендіру үшін Cu(I) қолданудың орнына, алкин кернеулі (DIFO) түрінде енгізіледі, онда электронды тартып алушы, пропаргилдік, асыл фторлар және сақиналық кернеу бірлесіп алкинді айтарлықтай тұрақсыздандырады. Бұл тұрақсыздану реакцияның қозғаушы күшін арттырады, сондай-ақ циклоалкиннің сақиналық кернеуді жеңілдетуге деген ұмтылысын күшейтеді. Реакция циклооктиндегі үштік байланысқа қатысты үйлесімді [3+2] циклоқосылу механизмі арқылы жүзеге асады, бұл Хуйсгеннің 1,3-диполярлы циклоқосылуымен бірдей. Циклооктинде фтордан басқа, бензол сақиналары сияқты басқа да топтарға рұқсат етіледі. Бұл реакция тірі жүйелерде азидтерді іздеу үшін сәтті қолданылды, бірақ реакция жылдамдығы CuAAC реакциясынан біршама төмен. Сонымен қатар, циклооктиндердің синтезі көбінесе төмен өнімділік береді, сондықтан бұл реакцияға арналған зондтарды жасау басқа реакцияларға қарағанда баяу жүреді. Алайда, циклооктин туындылары, мысалы DIFO, дибензилциклооктин (DIBO) және биарил азациклооктинон (BARAC) тірі жүйелерде азидтерді анықтау үшін SPAAC реакциясында сәтті қолданылды.
Стенспен қосқан алькин-нитрон циклоқосымы (SPANC)
Диарилдік қысыммен жүйкеленген циклооктиндер, соның ішінде дибензилциклооктин (DIBO) 1,3 нитрондармен қысыммен күшейтілген алкин-нитрон циклоқосылулары (SPANC) арқылы N-алкилденген изоксазолиндер алу үшін де қолданылған. Бұл реакция металл қолданбайтын және жоғары жылдамдықпен өтеді (k2 60 1/Мс-қа дейін, CuAAC және SPAAC-тан жылдам), сондықтан SPANC тірі жасушаларды белгілеуге қолданылуы мүмкін. Нитрон диполының көміртек және азот атомдарында, сондай-ақ ациклді және эндоциклді нитрондардағы алмастыруларға рұқсат етіледі. Бұл кең мүмкіндік нитрон тұтқасын немесе зондын енгізуде үлкен икемділікті қамтамасыз етеді. Дегенмен, изоксазолин өнімі CuAAC және SPAAC триазол өнімдерімен салыстырғанда тұрақсыз, және биологиялық ортада қайта құрылуы мүмкін. Бұл кемшілікке қарамастан, реакцияның жоғары жылдамдығы оны өте пайдалы етеді.
Стендті алкендердің реакциялары
Кернеулі алкендер де кернеуді азайтуды қозғаушы күш ретінде пайдаланады, бұл оларға "клік" реакцияларына қатысуға мүмкіндік береді. Трансциклоалкендер (әдетте циклооктендер) және оксанорборнадиен сияқты басқа кернеулі алкендер азидтер, тетразиндер және тетразолдар сияқты әртүрлі серіктестермен "клік" реакцияларына түседі. Бұл реакция серіктестері липидтерде, май қышқылдарында, кофакторларда және басқа да табиғи заттарда кездесетін эндогенді алкендерге қатысты биоортогоналды болып қалады, сонымен қатар кернеулі алкендермен ерекше өзара әрекеттесе алады.
Алкен және тетразиннің кері сұранысы Диелс-Альдер
Созылған циклооктендер және басқа да белсенді алкендер тетразиндермен кері электрондық талапқа ие Диелс-Альдер реакциясына түседі, одан кейін ретро [4+2] циклоаддиция жүзеге асады (суретті қараңыз). Трансциклооктеннің басқа реакциялары сияқты, сақиналық кернеудің азаюы осы реакцияны жетелейді. Сондықтан, үш және төрт мүшелі циклоалкендер жоғары сақиналық кернеуіне байланысты, идеалды алкен субстраттары болып табылады.
Алкен мен тетразолдың фотокликтік реакциясы
Тетразол алкені "фотокликтік" реакциясы – Хьюсген алғаш рет 1960 жылдардың соңында енгізген тағы бір диполярлық қосылу реакциясы. ChemBioChem 2007, 8, 1504. (68) Clovis, J. S.; Eckell, A.; Huisgen, R.; Sustmann, R. Chem. Ber. 1967, 100, 60.) Амино- немесе стирил топтары бар тетразолдар, 365 нм толқын ұзындығындағы (365 нм жасушаларға зиян келтірмейді) ультракүлгін сәулемен белсендірілгенде, флюорогенді пиразолин туындыларын жасау үшін жылдам реакцияға түседі (сондықтан ультракүлгін сәуле ұзақ уақыт, әдетте 1–4 минут бойы қолданудың қажеті жоқ). Бұл реакция схемасы тірі жасушаларды белгілеу үшін өте қолайлы, себебі 365 нм толқын ұзындығындағы ультракүлгін сәуле жасушаларға минималды зиян келтіреді. Сонымен қатар, реакция жылдам өтеді, сондықтан ультракүлгін сәулесін қысқа мерзімге қолдануға болады. Ұзын толқынды ультракүлгін сәулелердің кванттық шығымы 0,5-тен жоғары болуы мүмкін. Бұл тетразолдарды толқын ұзындығы бойынша таңдап, басқа фотолигациялық реакциямен бірге қолдануға мүмкіндік береді, онда қысқа толқын ұзындығында тетразол лигациялық реакциясы дерлік толығымен, ал ұзын толқын ұзындығында басқа реакция (о-хинодиметан арқылы лигация) толығымен жүреді. Соңында, флюоресцент емес реагенттер флюоресцентті өнімге айналады, бұл реакцияны спектрометриялық "тұтқамен" жабдықтайды. Тетразолдар да, алкен топтары да белоктарға қосылатын табиғи емес аминқышқылдары ретінде қолданылған, бірақ бұл артықшылық бірегей емес. Керісінше, реакцияның фотоиндукциялану қабілеті оны тірі жүйелерде кеңістіктік-уақыттық ерекшелікке ең басты үміткер етеді. Қиындықтардың бірі – эндогендік алкендердің болуы, бірақ олар көбінесе цис-конфигурацияда (май қышқылдарындағыдай) болғандықтан, белсенді тетразолмен реакцияға түсе алады.
Технология лицензиясы
Скриппс ғылыми-зерттеу институтының «клик химиясы» бойынша патенттер портфелі бар. Лицензиаттарға Invitrogen, Allozyne, Aileron, Integrated Diagnostics және BASF компаниясының «клик химиясы» арқылы жасалған өнімдерді сату мақсатында құрылған биотехнологиялық компаниясы кіреді. Сонымен қатар, [компания аты] ядролық қышқылдар саласындағы зерттеулер мен диагностика нарығына әлемдік эксклюзивті лицензияға ие. Флуоресцентті азидтер мен алкиндерді Cyandye сияқты компаниялар да шығарады.