Vinilsulfonas, azidas y alquinos. Aplicaciones tecnológicas y biotecnológicas

Resumen

Dentro del concepto de click chemistry las cicloadiciones 1,3-dipolares de azidas y alquinos terminales catalizadas por Cu(I) (CuAAC) son las que han alcanzado un mayor grado de desarrollo y aplicación y se consideran el ejemplo fundamental dentro de este concepto. Desde el descubrimiento de la catálisis de Cu(I) en el año 2002 por los grupos de Meldal y Sharpless el interés por esta reacción ha crecido exponencialmente y no sólo en síntesis orgánica, sino en otros campos como ciencias de los materiales y ciencias biomédicas. Por otro lado, las vinilsulfonas son bien conocidas por su utilidad como intermedios en síntesis orgánica. Estos compuestos han demostrado ser reactivos de síntesis muy versátiles como aceptores de Michael en adiciones conjugadas de tipo 1,4 y en reacciones de cicloadición. Además, este grupo funcional también ha mostrado su capacidad para inhibir potencialmente una variedad de procesos enzimáticos proporcionando unas propiedades únicas que se pueden explotar en el diseño de fármacos. El objetivo general de la presente Tesis Doctoral es explotar la capacidad de las reacciones de CuAAC para interconectar de forma fácil y eficiente diversas estructuras y poner de manifiesto la enorme potencialidad que esconden las vinilsulfonas como grupo reactivo en diversas aplicaciones. Específicamente se han explorado aplicaciones en el campo de las ciencias ómicas y en el campo de la eliminación de contaminantes. 1.-Aplicaciones en ciencias omicas. 1.1.-Etiquetado de biomoléculas. El etiquetado de biomoléculas es una herramienta básica en el campo de la genómica y la proteómica para la detección, purificación y estudio de interacciones entre biomoléculas. De entre la gama de biomoléculas que son plausibles, destacan por su especial importancia en aplicaciones biotecnológicas los etiquetados con fluoróforos y con biotina. En este campo los objetivos de la Tesis han sido: 1.1.1-Síntesis de sistemas de etiquetado conteniendo un fluoróforo, biotina o ambos simultáneamente para el marcaje de proteínas. El etiquetado fluorescente es un elemento clave para la detección y análisis de biomoléculas y el etiquetado con biotina también tiene gran interés biotecnológico. En el caso de la biotina la alta especificidad y afinidad que la avidina y otras proteínas relacionadas presentan por ella (contante de disociación del orden de 10-15M-1) hacen que la interacción tenga fortaleza de enlace covalente sin serlo. Así, la biotinilización transforma moléculas difícilmente detectables en sondas que pueden ser detectadas o capturadas con avidina marcada o inmovilizada. En este contexto un objetivo específico de la Tesis ha sido la síntesis de compuestos que contengan una molécula fluorescente, una molécula de biotina o ambas simultáneamente y además un grupo vinilsulfona. Por otro lado, dada la capacidad de las vinilsulfonas para reaccionar con grupos amino y tiol a través de reacciones de adición tipo Michael se pretende evaluar la capacidad de estos compuestos para el etiquetado de proteínas. 1.1.2-Síntesis de sistemas fluorescentes que permitan realizar estudios de interacción proteína-ligando. La polarización de fluorescencia es una técnica que proporciona información sobre orientaciones y movilidad, permitiendo estudiar interacciones receptor-ligando. Como proteínas modelo se han seleccionado la Concanavalina A, la MBP (proteína de unión a maltosa) y la avidina. En esta aplicación el objetivo ha sido llevar a cabo la síntesis de sistemas fluorescentes conteniendo un ligando de las proteínas anteriormente citadas (manosa para la ConA, ß-CD para la MBP y biotina para la avidina) mediante CuAAC utilizando complejos de Cu(I) solubles en disolventes orgánicos. Para la ConA y la MBP se persiguió utilizar la anisotropía de fluorescencia para determinar las constantes de disociación de estos receptores fluorescentes y desarrollar ensayos de competición que permitieran establecer las constantes de afinidad de ligandos no fluorescentes. Para el caso de la avidina se persiguió desarrollar una metodología basada en anisotropía de fluorescencia que permitiera la determinación de concentraciones efectivas de avidina, de gran importancia en la tecnología avidina-biotina. 1.2.-Modificaciónes post-traduccionales. De las diferentes modificaciones post-traduccionales que pueden sufrir las proteínas una de ellas es la lipidación, siendo la más relevante la acilación con ácidos grasos. Debido al gran número de mecanismos celulares en los que las proteínas modificadas con grupos de naturaleza lipídica se encuentran implicadas, tiene un gran interés el estudio de este tipo de proteínas. El objetivo en este contexto ha sido la síntesis de diversos sistemas de naturaleza lipídica conteniendo la función vinilsulfona para aprovechar la reactividad de esta función frente a grupos amino y tiol para llevar a cabo la lipidación de proteínas, en concreto, la lipidación de proteína A, y evaluar la capacidad de esta proteína modificada para incorporarse a ISCOMs. Como sistemas lipídicos se han seleccionado un ácido graso, el ácido oleico, y el colesterol. Este estudio ha sido llevado a cabo por Teresa Cruz Bustos, doctoranda del grupo de investigación Bioquímica y Parasitología Molecular dirigido por el Prof. Antonio Osuna. 1.3.-Inmovilización de biomoléculas. A pesar de los avances que se han producido en los últimos años es necesario llevar a cabo una activación bien de la biomolécula o bien del soporte para promover dicha inmovilización. El objetivo en esta área de aplicación ha sido la incorporación de grupos vinilsulfona a distintos materiales de sílice (sílica y geles de sílice) y poner de manifiesto la capacidad de estos nuevos soportes para la inmovilización de enzimas y proteínas en condiciones fisiológicas, sin necesidad de catálisis y sin generar subproductos. 2.-Aplicación en la síntesis de nuevos materiales con aplicación en descontaminación. La contaminación con compuestos orgánicos y metales es un problema frecuente derivado de la actividad industrial o minera en determinadas zonas. Representa un problema ecológico de primera magnitud y desde la entrada en vigor de la Ley de Prevención del Control Integrado de la Contaminación (Ley 16/2002 del 1 de Julio) tiene repercusiones no sólo económicas, pues se legisla el pago de las correspondientes indemnizaciones y además la obligación de reposición de la situación alterada a su estado anterior. En este marco el objetivo ha sido la síntesis de nuevos materiales partiendo de polisacáridos como materia prima y DVS como agente de entrecruzamiento. De esta manera se persiguió la obtención de homopolímeros de almidón y ciclodextrinas (¿ y ß) y heteropolímeros de almidón-ciclodextrina y el análisis de la capacidad de los mismos para adsorber diferentes contaminantes modelo orgánicos. Además, se ha perseguido4 la incorporación de grupos aniónicos y catiónicos sobre la estructura de los polímeros que permitirá su utilización en otros campos. Así, para el caso de los polímeros aniónicos se evaluó su capacidad para la eliminación de metales pesados del agua y los catiónicos fueron utilizados para la adsorción de colorantes con grupos aniónicos en su estructura.