биоортогональные реакции

Биоортогональные реакции — химические реакции, которые способны протекать внутри живых систем, не мешая естественным биохимическим процессам. Функциональные группы, участвующие в биоортогональных реакциях, как правило, не встречаются в биомолекулах, быстро и селективно реагируют друг с другом в условиях живой клетки и при этом являются инертными по отношению к другим соединениям, которые присутствуют в организме. Термин был предложен Каролин Бертоцци в 2003 году. Название реакций основано на переносном значении слова «ортогональный», то есть независимый от чего-либо, и обозначает взаимную независимость протекания искусственных и естественных процессов. Несмотря на то, что в области органической химии открыто, изучено и описано большое множество химических реакций, практически ни одна из них не может быть проведена в клетке или организме так, чтобы затронуть лишь интересующее исследователя соединение (белок, ДНК, метаболит и др.). Так происходит потому, что биомолекулы содержат большое количество весьма похожих по реакционной способности функциональных групп (преимущественно нуклеофильных), и реакция, в которую вступает изучаемое соединение, неизбежно затронет и другие молекулы, содержащие подобные функциональные группы, что может не только не соответствовать задачам исследования, но и нарушать естественную работу клетки, делая невозможным её изучение. В то же время проведение химических реакций внутри клетки является полезным инструментом исследования, поскольку позволяет помечать исследуемые биомолекулы флуоресцентными, аффинными и масс-спектрометрическими метками, которые в дальнейшем позволят наблюдать эти биомолекулы соответствующими методами исследования, например, при помощи флуоресцентного микроскопа. Биоортогональные реакции призваны заполнить этот пробел, поскольку они являются абсолютно чуждыми клетке, протекают между искусственно вводимыми функциональными группами и мало влияют на работу клетки. Использование биоортогональной реакции на практике обычно осуществляют в две стадии. Сначала изучаемое соединение модифицируют биоортогональной функциональной группой внутри клетки. Затем в систему вводят низкомолекулярную метку, содержащую комплементарную функциональную группу, и в результате биоортогональной реакции происходит селективная модификация (мечение) данного соединения. В дальнейшем введённая метка позволяет наблюдать за модифицированным субстратом. В настоящее время при помощи биоортогональных реакций стало возможным изучение различных биомолекул, например, гликанов, белков и липидов, в режиме реального времени в живых системах при отсутствии цитотоксичности. Было разработано несколько химических реакций, отвечающих требованиям биоортогональности, среди них азидов к циклооктинам (называемое также безмедной клик-реакцией), нитронов к циклооктинам, образование оксимов или гидразонов из карбонильных соединений, реакция тетразинов с циклооктенами, клик-реакция изонитрилов и квадрициклановое лигирование.