Hadiah Nobel Kimia 2022 diberikan kepada ilmuwan Carolyn R. Bertozzi, Morten Meldal dan K. Barry Sharpless untuk pengembangan mereka klik kimia (click chemistry) dan kimia bioorthogonal.
Teknik ini telah digunakan di sejumlah sektor, termasuk memberikan perawatan yang dapat membunuh sel kanker tanpa mengganggu sel sehat serta secara berkelanjutan dan cepat memproduksi polimer dalam jumlah besar untuk bahan-bahan bangunan. Satu obat berbasis kimia klik saat ini sedang menjalani uji klinis fase 2. Bertozzi adalah penasihat ilmiah dari perusahaan yang mengembangkan obat tersebut.
Kami bertanya kepada kandidat Ph.D. kimia Heyang (Peter) Zhang dari Lin Lab di University at Buffalo untuk berbicara tentang bagaimana teknik ini muncul dalam penelitiannya sendiri dan bagaimana mereka telah mengubah bidangnya dan industri lainnya.
1. Bagaimana cara kerja kimia klik dan bioortogonal?
Kimia klik (click chemistry, seperti namanya, adalah cara membangun molekul seperti menyatukan balok-balok Lego. Dibutuhkan dua molekul untuk meng-klik, sehingga peneliti menyebut masing-masing sebagai mitra klik.
K. Barry Sharpless dan Morten Meldal secara independen atau terpisah menemukan bahwa azida, suatu molekul berenergi tinggi dengan tiga nitrogen yang terikat bersama, dan alkuna, suatu molekul yang relatif inert (zat yang tidak reaktif secara kimia) dan langka secara alami dengan dua karbon yang terikat rangkap tiga bersama-sama, adalah mitra klik yang hebat dengan menggunakan katalis tembaga.
Mereka menemukan bahwa katalis tembaga dapat menyatukan dua bagian tersebut dalam pengaturan optimal. Sebelum teknik ini, para peneliti tidak memiliki cara untuk membuat molekul baru dengan cepat dan tepat dalam kondisi yang dapat diakses, seperti menggunakan air sebagai pelarut pada suhu kamar.
Ahli biologi kimia dengan cepat menyadari bahwa reaksi klik dapat menjadi cara yang fantastis untuk menyelidiki sistem kehidupan seperti sel, karena mereka menghasilkan sedikit atau tidak ada produk sampingan beracun dan dapat terjadi dengan cepat. Namun, katalis tembaga itu sendiri beracun bagi sistem kehidupan.
Carolyn Bertozzi menemukan solusi untuk masalah ini dengan menghilangkan katalis tembaga dari reaksi. Dia melakukan ini dengan menempatkan alkuna ke dalam struktur cincin, yang mendorong terjadinya reaksi menggunakan regangan cincin yang dihasilkan dari molekul yang dipaksa ke dalam bentuk siklus. Reaksi bioorthogonal ini, atau reaksi yang terjadi “sejajar” dengan lingkungan kimia sel, dapat terjadi dalam sel tanpa mengganggu kimia normalnya.
2. Bagaimana Anda menggunakan kimia ini dalam pekerjaan Anda?
Dalam sebuah wawancara, Carolyn Bertozzi menyatakan bahwa langkah selanjutnya untuk kimia bioortogonal adalah menemukan reaksi dan aplikasi baru untuk menerapkannya. Penelitian lab kami berfokus tepat pada hal itu.
Rekan-rekan saya dan saya menerapkan teknik ini untuk melacak molekul yang menarik perhatian kami karena mereka berperilaku secara alami di dalam sel. Dalam suatu sel hidup, kami dapat menambahkan satu uji coba ke reseptor yang berperan dalam sejumlah proses seluler (berhubungan dengan sel).
Untuk menemukan reaksi baru, lab kami telah menghabiskan 15 tahun terakhir untuk mendorong seberapa cepat reaksi bioorthogonal dapat berjalan. Kecepatan itu penting karena banyak molekul dalam organisme hidup yang hadir dalam konsentrasi rendah, dan menggunakan terlalu banyak bahan kimia yang diperlukan untuk reaksi dapat menjadi racun bagi sel. Semakin cepat reaksi, semakin sedikit reaksi samping yang tidak diinginkan.
Kami mempelopori cara lain untuk mencapai reaksi klik dan bioortogonal dengan lebih cepat. Alih-alih menggunakan azida dan alkuna seperti yang dilakukan para pemenang Hadiah Nobel pada awalnya, kami menggunakan dua molekul lain yang bergabung bersama ketika cahaya menyinari mereka.
Dengan teknik ini, kami dapat menambahkan molekul ke permukaan sel hidup dalam sedikitnya 15 detik. Kami kemudian dapat mengamati bagaimana struktur tertentu pada sel berfungsi di lingkungan alaminya, atau mendeteksi bagaimana perubahannya saat terpapar obat atau zat lain. Peneliti kemudian dapat lebih mudah menguji bagaimana sel bereaksi terhadap pengobatan potensial.
Saat ini, kami sedang mengembangkan metode baru untuk memicu reaksi ini tanpa cahaya. Kami secara aktif bekerja menggunakan kimia bioorthogonal untuk meningkatkan pencitraan PET (polyethylene terephthalate) untuk menyaring dan memantau tumor.
3. Mengapa teknik ini sangat penting untuk bidang Anda?
Sebelum kimia klik dan bioorthogonal, tidak ada cara untuk memvisualisasikan molekul dalam sel hidup dalam keadaan alaminya.
Sebagai analogi, bayangkan Anda perlu menemukan uang dolar tertentu dengan nomor seri 01234567. Itu akan menjadi tugas yang mengerikan. Ini akan mengharuskan Anda untuk melewati setiap dolar yang bisa Anda dapatkan dan memverifikasi apakah nomor seri yang Anda cari.
Melacak molekul dalam tubuh kita sama sulitnya, jika tidak lebih sulit. Karena lingkungan biologis begitu kompleks, sebelumnya tidak mungkin menambahkan suatu uji coba hanya pada molekul yang diinginkan tanpa secara tidak sengaja menandai sesuatu yang lain, atau lebih buruk lagi, mengubah kimia normal sel. Namun, dengan reaksi bioortogonal, para peneliti pada dasarnya dapat menambahkan pelacak GPS ke molekul tanpa mempengaruhi bagian sel lainnya.