La più lunga catena di polisaccaridi finora sintetizzata

Rinaldo Cervellati

I polisaccaridi – lunghe catene di zuccheri semplici – svolgono un ruolo centrale nei sistemi biologici, incluso il supporto della struttura cellulare, la conservazione dell’energia chimica e la regolazione del riconoscimento cellulare. Ma sintetizzare i polisaccaridi in laboratorio è un compito molto arduo. Un gruppo di ricercatori, coordinato dal Prof. Peter H. Seeberger[1] ha sintetizzato la catena di polisaccaridi più lunga mai sintetizzata finora, e lo ha fatto in tempi record, utilizzando la tecnica automated synthesis[2]. Ne dà notizia Fernando Gomollón-Bel, su C&EN newsletter del 27 maggio scorso (Automated synthesis creates longest polysaccharide to date, special to C&EN, May 27, 2020).

Il gruppo di Seeberger ha prodotto un polimero zuccherino lungo 100 unità in meno di 200 ore, ottenendo una resa complessiva dell’8% [1]. I ricercatori hanno anche creato un polimero ramificato con 151  unità monomeriche, dimostrando che con il loro approccio automatizzato si possono realizzare strutture più complicate.

Peter H. Seeberger

Carolyn Bertozzi[3], con un tipico modo di dire americano, afferma che questo lavoro ”ha letteralmente cambiato le carte in tavola”. In effetti, spiega Bertozzi: “Per molto tempo, i chimici hanno cercato di creare lunghe catene di zucchero usando le classiche strategie di sintesi organica. I polisaccaridi sono stati più difficili da sintetizzare [rispetto ad altri biopolimeri] perché hanno strutture di collegamento molto diverse. I polisaccaridi possono avere molti rami e stereocentri, quindi i ricercatori che li sintetizzano devono considerare variazioni nella regiochimica e nella stereochimica per ogni connessione di monomeri. Preparare anche un breve oligosaccaride in questo modo potrebbe richiedere diverse settimane.

Carolyn R. Bertozzi

In effetti, il precedente più grande policarboidrato sintetico è una molecola di 92 unità costruita unendo insieme blocchi più corti, un risultato che ha richiesto più di 2 anni [2].

Nel 2001, Peter H. Seeberger al Max Planck Institute of Colloids and Interfaces  iniziò ad adattare i metodi automatizzati in fase solida, che fino a quel momento erano stati usati solo per produrre peptidi e acidi nucleici, per sintetizzare polisaccaridi. In questo processo, le molecole vengono attaccate covalentemente a una resina con un linker (legante). Quindi la molecola viene accresciuta passo dopo passo tramite una serie di reazioni di glicosilazione. Dopo che i polisaccaridi hanno raggiunto la lunghezza desiderata, vengono staccati dalla resina e purificati. Una macchina automatizzata esegue i numerosi cicli di reazioni necessari per giungere al prodotto finale (fig 1[1]).

Figura 1. Schema del metodo automatizzato per sintetizzare lunghi polisaccaridi di mannosio. Credit: J. Am. Chem. Soc.

Al gruppo di Seeberger ci sono voluti circa vent’anni per ottimizzare il processo, aumentando l’efficienza di ogni passaggio. “Abbiamo davvero spinto i limiti per rendere le reazioni le più veloci e ad alto rendimento possibile“, dice Seeberger e continua: “Abbiamo studiato ogni singolo passaggio.” Ciò ha incluso la ricerca di un linker alla resina in fase solida in grado di resistere a centinaia di reazioni di accoppiamento ma che tuttavia fosse facile da eliminare una volta realizzate le molecole desiderate. I ricercatori hanno anche dovuto migliorare le tecniche di purificazione e spettrometria di massa in modo da poter caratterizzare accuratamente i polisaccaridi estremamente lunghi durante la realizzazione.

La capacità di produrre polisaccaridi sintetici aiuterebbe gli scienziati a comprendere le loro funzioni biologiche in contesti normali e patologici, afferma Bertozzi. Seeberger è fiducioso che, con lievi modifiche, l’apparecchiatura robotica potrebbe essere messa in grado di sintetizzare polisaccaridi ancora più lunghi e in tempi molto più brevi. La metodologia attuale utilizza solo un tipo di unità di zucchero: il mannosio. Dato che probabilmente ci sono milioni di strutture polisaccaridiche in natura, i prossimi passi tenderanno a produrre strutture con componenti monomeri i più diversi.

Bibliografia

[1] A. A. Joseph, A. Pardo-Vargas, P. H. Seeberger, Total Synthesis of Polysaccharides by Automated Glycan Assembly, J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c00751

[2] Wu, Y., Xiong, D., Chen, S. et al. Total synthesis of mycobacterial arabinogalactan containing 92 monosaccharide units. Nat. Commun., 2017, 814851.

[1] Peter H. Seeberger è uno dei direttori dell’Istituto Max Planck su Colloidi e Interfacce di Golm, vicino a Potsdam (Germania), dove è a capo del Dipartimento Sistemi Biomolecolari. È uno specialista nell’area della glycomics. La Glycomics è lo studio dell’intero comparto degli zuccheri, liberi o presenti in molecole più complesse di un organismo, compresi aspetti genetici, fisiologici, patologici e altri.

[2] Automated synthesis (sintesi automatica) è un insieme di tecniche che utilizzano apparecchiature robotiche per eseguire la sintesi chimica in modo automatizzato.

[3] Carolyn Ruth Bertozzi è un chimico americano, professore ordinario alla Stanford University. Nota per aver fondato un nuovo campo della chimica, la chimica bioorthogonal. La chimica bioorthogonal è un settore della biochimica che consente ai ricercatori di modificare chimicamente le molecole nelle cellule viventi senza interferire con i naturali processi biochimici.

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