Carboidratos são moléculas complexas, difícil de sintetizar no laboratório, mas fazer isso é útil para estudar açúcares benéficos, como os encontrados no leite materno humano, ou permitindo que os pesquisadores ajustem a estrutura química de candidatos a drogas, vacinas e produtos naturais.

Os químicos da Universidade de Michigan desenvolveram um método simples de sintetizar carboidratos que amplia a gama de laboratórios que podem usar a química sintética para gerar e estudar novas estruturas de carboidratos. Seus resultados são publicados no Jornal da American Chemical Society .

"Ácidos nucleicos, proteínas, e carboidratos são três dos blocos básicos de construção que você aprende nas aulas de biologia, "disse o autor principal John Montgomery, professor de química e química medicinal. "A química tem sido capaz de automatizar a preparação de ácidos nucléicos e proteínas para onde o acesso a essas estruturas é rotineiro, mas os carboidratos são ordens de magnitude mais difíceis de preparar. Existem alguns avanços incríveis sendo feitos na automação da síntese de carboidratos, mas permanece o fato de que esta é uma química difícil que está impedindo os avanços na glicobiologia. "

Os carboidratos têm grande diversidade estrutural, padrões complexos de ramificação, e a arquitetura 3-D que prejudica a capacidade dos cientistas de sintetizar os compostos, diz Montgomery. Ao usar um grupo de silício para pré-projetar como os carboidratos irão reagir uns com os outros, o método da equipe U-M é capaz de controlar o padrão de ramificação do carboidrato e reduzir as etapas necessárias para acessar estruturas mais complexas.

Por exemplo, moléculas de carboidratos normalmente consistem em carbono, hidrogênio, átomos de oxigênio e às vezes de nitrogênio e variam em comprimento, com açúcares de cinco e seis carbonos sendo os mais prevalentes. A maioria dos átomos de carbono tem um grupo de álcool, que pode ser conectado ao próximo carboidrato em uma miríade de padrões possíveis.

"Esse recurso de ramificação é o que torna a química sintética muito entediante, porque você tem que controlar a seletividade entre a parte da molécula que vai reagir com a próxima, "Montgomery disse.

Para controlar como esses grupos de álcool combinam os carboidratos, Montgomery e sua equipe colocaram "grupos de proteção" de silício em álcoois selecionados dentro de um carboidrato.

"Normalmente, os grupos de proteção precisam ser ativados e desativados durante a síntese, adicionando tempo e custo ao procedimento. Nossa estratégia é projetada de modo que o grupo protetor caia naturalmente durante a reação de acoplamento e vezes a sequência de qual grupo álcool reage quando desejado, "Montgomery disse." Por esta abordagem, podemos reverter a reatividade de dois álcoois, ou podemos pegar dois álcoois que normalmente teriam reatividade semelhante e fazer um reagir seletivamente sobre o outro, sem etapas adicionais. "

Então, os pesquisadores podem controlar a estereoquímica do carboidrato - o arranjo tridimensional da molécula do carboidrato - fazendo reações entre os carboidratos tanto intermoleculares quanto intramoleculares. Se a reação for intermolecular, isso significa que a reação ocorre entre duas moléculas diferentes. Se a reação for intramolecular, isso significa que uma única molécula é montada na qual os dois açúcares são conectados por meio de silício antes da reação.

Tanto o padrão de ramificação quanto a estereoquímica do carboidrato impactam a arquitetura tridimensional geral do açúcar, mas este aspecto estrutural também apresenta dificuldade para sintetizar os açúcares.

Como as moléculas de açúcar são tão complexas, há um "número enorme de combinações estatisticamente possíveis se você tivesse cinco açúcares, por exemplo, "Disse Montgomery." O número pode estar na casa dos bilhões de combinações, mesmo para essas cadeias de carboidratos relativamente curtas. Essa diversidade é o que torna os carboidratos tão especiais para o reconhecimento molecular na natureza, mas também torna a síntese extremamente difícil. "

O método da equipe é particularmente útil porque o uso do recurso de controle de silício permite aos pesquisadores reduzir o número de reações separadas para formar uma cadeia de carboidratos em uma única etapa. Nesta abordagem, o elemento de controle de silício permite que as reações ocorram com três açúcares diferentes na sequência adequada, de modo que um trissacarídeo possa ser sintetizado em uma etapa de síntese. Esses pequenos agrupamentos podem então ser conectados para acessar cadeias mais complexas de uma maneira muito rápida.

"Você pode configurar várias possibilidades reativas e colocá-las em cascata na sequência adequada, "Montgomery disse." Coisas que você normalmente executaria em uma série de reações separadas - podemos usar esse elemento de controle de silício para basicamente fazer tudo acontecer no frasco de reação de uma vez. Ainda estamos melhorando esse aspecto com novas estruturas de catalisador, mas acho que a estratégia tem potencial para ser muito poderosa. "

Colaborador computacional Paul Zimmerman, um co-autor do estudo e professor de química, está fornecendo insights sobre como o processo funciona e como melhorá-lo.

Finalmente, os métodos tradicionais de ligar carboidratos são muito sensíveis à água e à temperatura. O método da equipe U-M usa reagentes comerciais que podem ser usados ​​sem purificação ou secagem para induzir reações químicas, e realizou todos os seus procedimentos à temperatura ambiente.

A pesquisa de Montgomery foi apoiada pelo programa de glicosciência do National Institutes of Health Common Fund. O Fundo Comum foi estabelecido para fornecer foco interdisciplinar em desafios científicos na pesquisa biomédica. Montgomery e U-M apresentaram um pedido provisório de patente sobre este trabalho.