A razão pela qual o ibuprofeno trata dores de cabeça e sorvete tem gosto doce é que seus componentes químicos se encaixam perfeitamente em certos receptores em seu corpo. Quanto melhor um fármaco ou molécula de sabor se ajustar ao seu receptor correspondente, mais eficaz será o medicamento ou mais saboroso será o tratamento.
Westend61 via Getty Images – A conversa
Mas uma peculiaridade interessante da natureza é que muitas moléculas podem vir em duas versões – uma versão destra e uma versão canhota – e os receptores em seu corpo devem corresponder à destreza de uma molécula para se encaixar corretamente. Uma luva canhota não cabe na sua mão direita.
Então, como os químicos fazem a versão correta de uma molécula para que os medicamentos funcionem conforme o esperado?
Esta é uma pergunta que um químico ficou profundamente fascinado por quando comecei meu doutorado. estudos com Dave MacMillan em Princeton. E ele, junto com Ben List do Instituto Max Planck, ganharam juntos o Prêmio Nobel de Química de 2021 por descobrir maneiras inteiramente novas de fazer moléculas com uma orientação ou outra.
Eles desenvolveu um novo tipo simples de catalisador – chamados organocatalisadores assimétricos. Esses catalisadores são capazes de produzir moléculas com eficiência com uma orientação 3-D particular e permitiram aos químicos descobrir e fabricar medicamentos seguros e eficazes.
O que é um catalisador assimétrico?
Catalisadores são os ferramentas que a natureza e os químicos usam para construir moléculas complexas. Eles atuam diminuindo a quantidade de energia necessária para que uma reação química ocorra. Os químicos usam catalisadores para produzir grandes quantidades de moléculas complexas que, de outra forma, seriam difíceis de fazer com eficiência, ou até mesmo.
Normalmente, as reações químicas produzem uma quantidade igual de canhotos e moléculas destras. Catalisadores assimétricos são catalisadores que produzem moléculas seletivamente com uma orientação ou outra.
Vinte anos atrás, os químicos que inventaram os catalisadores assimétricos ganharam o Prêmio Nobel de Química de 2001. Mas os catalisadores que inventaram usam metais preciosos que podem ser caros e tóxicos. Eles também são sensíveis ao ar e à água. Os cientistas têm usado esses catalisadores assimétricos baseados em metal desde então, mas é necessário muito cuidado para reciclar ou remover esses metais às vezes tóxicos dos muitos medicamentos que eles são usados para criar.
Como a natureza faz moléculas assimétricas?
Receptores biológicos – estruturas nas células que recebem sinais químicos – muitas vezes se ligam apenas a uma versão de uma molécula. Assim, a natureza dominou como fazer moléculas seletivamente usando enzimas grandes e complexas, quase como fábricas. Esses elaborados catalisadores de enzimas geralmente são feitos de milhares de aminoácidos e montam blocos de construção químicos na orientação correta para a esquerda ou para a direita. Esta bela estratégia é o produto de milhões de anos de evolução e funciona muito bem em organismos vivos.
O problema quando se trata de usar enzimas para produzir medicamentos é que muitas vezes elas são 10.000 vezes maiores do que o medicamento-alvo real e podem levar o mesmo tempo para serem fabricadas. Na verdade, o Prêmio Nobel de Química de 2018 reconheceu separadamente cientistas que desenvolveram uma maneira de fazer catalisadores enzimáticos com mais facilidade. Apesar desses avanços, fabricar essas grandes enzimas ainda não é prático para os químicos medicinais no laboratório.
Organocatalisadores assimétricos: ferramentas manuais fazendo o trabalho de uma fábrica
MacMillan e Ben desenvolveram um tipo de catalisador orgânico, ou baseado em carbono, feito de um único aminoácido que pode produzir moléculas complexas com uma única mão. Em vez de usar metais tóxicos ou fábricas moleculares inteiras, os cientistas agora podem usar um único aminoácido para produzir medicamentos específicos.
No início de 2000, List relatou que um único aminoácido, a prolina, poderia imitar efetivamente uma enzima inteira que realiza a reação aldólica, uma reação química formadora de ligações essenciais. Naquele mesmo ano, MacMillan mostrou que vários aminoácidos modificados diferentes poderiam promover assimetricamente a reação de Diels-Alder, outra reação importante que forma ligações. Neste artigo seminal, MacMillan cunhou o termo “organocatalisador”.
Então, como funcionam os organocatalisadores?
Existem agora muitos tipos de organocatalisadores assimétricos, mas o tipo que iniciou este campo são frequentemente aminoácidos circulares que mantêm blocos de construção químicos em uma forma 3D específica durante uma reação química. Em uma dança coreografada de três partes, os catalisadores primeiro fazem uma forte ligação com um bloco de construção do produto final desejado, orientam-no para a formação da ligação e, em seguida, liberam-no após a ocorrência da reação química.
A forma circular dos catalisadores é freqüentemente essencial. List usou o único aminoácido em forma de anel de ocorrência natural, a prolina, como seu catalisador. MacMillan, por outro lado, amarrou os aminoácidos em um anel que força as reações químicas a produzirem apenas moléculas com uma orientação.
Uma descoberta digna do Nobel
As técnicas que List e MacMillan descobriram que levaram à criação de milhares de novos catalisadores e reações químicas que podem produzir drogas de maneira mais barata e eficiente do que antes.
A capacidade de construir tantas moléculas com tais uma abordagem simples e eficaz revolucionou a química medicinal. Hoje, os organocatalisadores são frequentemente usados para fazer muitos tipos de medicamentos que tratam uma ampla gama de doenças, incluindo câncer, diabetes, HIV e muitos mais.
Na época, entrei para o laboratório de MacMillan em 2006, estávamos aproveitando essas descobertas e fundindo-as com novas tecnologias para fazer tipos de medicamentos inteiramente novos. As dezenas de cientistas divertidos e criativos com quem trabalhei mostraram que é possível usar a descoberta de MacMillan para inventar centenas de novas reações químicas.
Uma vez perguntei a MacMillan por que ele pensava sua descoberta causou um grande impacto na medicina. Sua resposta foi que os aminoácidos são materiais baratos e sustentáveis e muito mais práticos de usar do que os catalisadores de metal sensíveis ao ar e à água. Isso significa que as pessoas não precisam de grandes orçamentos ou equipamentos sofisticados para empregar essa tecnologia e fabricar novos medicamentos. Químicos de todo o mundo – tanto de países pobres como de ricos – podem desenvolver a tecnologia.
Ainda concordo plenamente que é por isso que os organocatalisadores têm sido colocados em uso tão rapidamente e tão amplamente.
Este artigo foi republicado do The Conversation, um site de notícias sem fins lucrativos dedicado ao compartilhamento ideias de especialistas acadêmicos. Foi escrito por: David Nagib, The Ohio State University .
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David Nagib recebe financiamento do National Institutes of Health, da National Science Foundation, da Eli Lilly e da Sloan Research Foundation. MacMillan foi seu orientador de PhD de 2006-2011.
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