Investigadores de la Universidad de Cambridge han desarrollado una nueva técnica que utiliza luz en lugar de sustancias químicas tóxicas para alterar moléculas complejas de fármacos. El descubrimiento podría acelerar el desarrollo de fármacos y hacer que el proceso de diseño de fármacos sea más eficiente.
El estudio fue publicado el 12 de marzo. Síntesis de la naturalezaEl grupo representa lo que llama la reacción “anti-Friedel-Crafts”. La química tradicional de Friedel-craft requiere catalizadores químicos o metálicos fuertes y duras condiciones de laboratorio. Debido a este requisito, la reacción suele ocurrir temprano en la preparación del fármaco y se siguen muchos pasos químicos adicionales para producir el fármaco final.
El nuevo método de Cambridge invierte ese proceso al permitir a los investigadores realizar cambios en las moléculas de los fármacos mucho después de su desarrollo.
El enlace químico clave forma la reacción que impulsa el LED
En lugar de depender de catalizadores de metales pesados, la reacción se activa mediante una lámpara LED a temperatura ambiente. Cuando la luz desencadena la reacción, desencadena un proceso en cadena autosostenible que forma enlaces carbono-carbono bajo la luz sin reactivos tóxicos o costosos.
En términos prácticos, este método permite a los químicos ajustar moléculas complejas cerca del final del proceso de desarrollo de fármacos en lugar de descomponerlas y reconstruirlas poco a poco, algo que de otro modo podría llevar meses.
“Hemos encontrado una nueva forma de realizar modificaciones precisas en moléculas farmacológicas complejas, particularmente aquellas que han sido excepcionalmente difíciles de modificar en el pasado”, dijo David Vahe, primer autor e investigador de doctorado en St. John’s College, Cambridge.
“Los científicos pueden pasar meses reconstruyendo grandes secciones de una molécula para probar un pequeño cambio. Ahora, en lugar de realizar procesos de varios pasos para cientos de moléculas, los científicos pueden comenzar golpeándolas y hacer pequeños cambios más adelante”.
“Esta reacción permite a los científicos realizar ajustes precisos mucho más tarde en el proceso, en condiciones suaves y sin depender de reactivos tóxicos o costosos. Abre un espacio químico al que antes era difícil acceder y brinda a los químicos medicinales una herramienta más limpia y eficiente para explorar nuevas versiones de un medicamento”.
Descubrimiento de fármacos más rápido con menos desperdicio
Reducir el número de pasos de síntesis reduce el uso de productos químicos, reduce el consumo de energía y reduce la huella ambiental del desarrollo de fármacos. También ahorra a los investigadores un tiempo valioso.
La reacción es altamente selectiva y permite a los químicos modificar una parte específica de una molécula sin alterar otras áreas sensibles. Esta precisión es importante porque incluso pequeños cambios estructurales pueden afectar el funcionamiento de un fármaco en el organismo, su comportamiento biológico o si produce efectos secundarios.
En esencia, el avance aborda un desafío químico fundamental: la formación de enlaces carbono-carbono. Estos enlaces forman la columna vertebral de innumerables materiales, incluidos combustibles, plásticos y moléculas biológicas complejas.
La técnica también muestra lo que los químicos describen como “alta tolerancia a los grupos funcionales”. Esto significa que puede cambiar una región de una molécula sin tocar otros grupos funcionales. Esto hace que la reacción sea particularmente útil para la optimización de la última etapa, una fase del descubrimiento de fármacos en la que los científicos ajustan las moléculas para mejorar la eficacia de los fármacos.
Debido a que el método evita metales pesados, condiciones de reacción duras y rutas de síntesis largas, puede reducir los desechos tóxicos y el consumo de energía en la fabricación de medicamentos. Estos beneficios ambientales son cada vez más importantes a medida que la industria química trabaja para reducir su impacto ambiental.
Inspirado en la investigación de la química sostenible
Vahe trabajó en un grupo de investigación dirigido por el profesor Erwin Reisner en Cambridge. El grupo de Reisner es conocido por desarrollar sistemas químicos inspirados en la fotosíntesis. Su investigación explora formas de utilizar la luz solar para convertir materiales de desecho, agua y dióxido de carbono, gas de efecto invernadero, en productos químicos y combustibles útiles.
Yusuf Hamid, profesor Reisner de Energía y Sostenibilidad en el Departamento de Química y autor principal del estudio, dijo que la importancia de este trabajo radica en ampliar lo que los químicos pueden lograr en situaciones prácticas y avanzar hacia técnicas de producción más ecológicas.
“Es una nueva forma de crear un enlace carbono-carbono fundamental y es por eso que el impacto potencial es tan grande. Significa que los químicos pueden evitar un proceso de modificación de fármacos ineficiente y no deseado”.
Los investigadores probaron la reacción en una amplia gama de moléculas similares a fármacos y demostraron que también podría adaptarse a sistemas de flujo continuo comúnmente utilizados en la producción química industrial. La colaboración con AstraZeneca ayudó a evaluar si la estrategia podría cumplir con los requisitos prácticos y ambientales de la fabricación farmacéutica a gran escala.
“Transformar la industria química en una industria sostenible es posiblemente una de las partes más difíciles de toda la transición energética”, explicó Reisner.
Los avances surgen de un experimento fallido
El descubrimiento comenzó con un resultado de laboratorio inesperado similar a muchos avances científicos famosos, incluidos los rayos X, la penicilina, el Viagra y los medicamentos modernos para perder peso.
“Fracaso tras fracaso, entonces encontramos algo que no esperábamos en el desorden: un verdadero diamante en bruto. Y eso es gracias a un experimento de control fallido”, dijo Vahe.
Estaba probando un fotocatalizador cuando lo eliminó durante un experimento de control y descubrió que la reacción funcionaba igual de bien y a veces mejor sin él.
Al principio, este producto inusual parecía un error. En lugar de ignorar esto, los investigadores optaron por investigar más a fondo. Según Reisner, reconocer la importancia de resultados inesperados es una parte importante del descubrimiento científico.
“Reconocer el valor de lo inesperado es probablemente una de las características clave de un científico exitoso”, dijo.
La IA ayuda a predecir nuevas reacciones químicas
“Generamos una gran cantidad de datos y utilizamos cada vez más la inteligencia artificial para ayudarnos a analizarlos. Tenemos un algoritmo que puede predecir reacciones. La IA ayuda porque no necesitamos que los químicos hagan pruebas y errores interminables, pero un algoritmo sólo seguirá las reglas que se le dan. De hecho, puede detectarle a un humano si algo podría salir mal y puede pensar en algo”.
En este caso, Vahey reconoció la importancia potencial de los resultados inesperados y los exploró más a fondo.
“David podría descartarlo como un control fallido”, dijo Reisner. “En lugar de eso, se detiene y piensa en lo que ve. En ese momento, al elegir investigar en lugar de ignorarlo, es donde ocurre el descubrimiento”.
Después de descubrir la química detrás de la reacción, el equipo introdujo modelos de aprendizaje automático desarrollados con el Trinity College Dublin para predecir dónde se producirían reacciones en moléculas completamente nuevas que nunca se habían probado en el laboratorio.
Al aprender patrones de reacciones químicas conocidas, los sistemas de IA pueden simular posibles resultados antes de experimentar. Esto permite a los investigadores identificar moléculas prometedoras más rápidamente y con mucho menos ensayo y error.
Para Vahey, el descubrimiento ofrece a los científicos una nueva y valiosa capacidad para descubrir y desarrollar fármacos.
Dijo: “Lo que la industria y otros investigadores hagan con él a continuación, ahí es donde residen las implicaciones futuras. Para nosotros, el laboratorio es en su mayoría días promedio o malos. Los días buenos son días muy buenos”.
Reisner añadió: “Como químico, necesitas uno o dos días buenos al año, y esos pueden deberse a un experimento fallido”.
10 famosos descubrimientos científicos accidentales 1. Rayos X (1895)
Wilhelm Konrad Roentgen descubrió los rayos X mientras estudiaba las corrientes eléctricas que fluyen a través de tubos de vidrio. Se dio cuenta de que una pantalla cercana inesperadamente comenzó a brillar, liberando un nuevo tipo de radiación que permitía a los médicos ver el interior del cuerpo humano sin cirugía.
2. Radiactividad (1898)
Marie Curie observó que ciertos minerales de uranio producían mucha más radiación de la que el uranio por sí solo podía explicar. Este sorprendente descubrimiento condujo al descubrimiento del polonio y el radio y ayudó a establecer los campos de la física y la química nucleares.
3. Caucho vulcanizado (1839)
Charles Goodyear descubrió la vulcanización cuando una mezcla de caucho natural y azufre cayó accidentalmente sobre una superficie caliente. En lugar de derretirse, el caucho se vuelve fuerte y elástico. El proceso hizo que el caucho fuera práctico para uso industrial y, finalmente, permitió el desarrollo de neumáticos y muchos otros productos.
4. Penicilina (1928)
Alexander Fleming descubrió la penicilina cuando el moho contaminó accidentalmente una placa de laboratorio y mató las bacterias circundantes. El descubrimiento condujo a los primeros antibióticos ampliamente utilizados y a la transición a la medicina moderna.
5. Teflón (1938)
El químico Roy Plunkett creó accidentalmente teflón mientras experimentaba con gas refrigerante. El material inesperado resultó muy resbaladizo y resistente al calor y posteriormente se utilizó ampliamente en utensilios de cocina antiadherentes y aplicaciones industriales.
6. Súper pegamento (1942)
Harry Coover intentaba crear plástico transparente cuando, en cambio, creó una sustancia que se adhiere instantáneamente a casi cualquier superficie. Posteriormente comercializado como Super Glue, se usa ampliamente en el hogar, la industria manufacturera y la medicina.
7. LSD (1943)
El químico suizo Albert Hoffmann absorbió accidentalmente una pequeña cantidad de un compuesto que había sintetizado y experimentó sus poderosos efectos psicoactivos. La sustancia, la dietilamida del ácido lisérgico (LSD), desempeñó más tarde un papel importante en la investigación de la neurociencia y se volvió controvertida en la cultura popular.
8. Púlsar (1967)
La estudiante de posgrado Jocelyn Bell observó señales de radio repetidas mientras analizaba datos del telescopio Burnell. Inicialmente se creyó que eran interferencias, pero las señales resultaron ser la primera evidencia de púlsares, estrellas de neutrones que giran rápidamente y que abrieron un nuevo campo de la astrofísica.
9.Viagra (1990)
Los investigadores de Pfizer estaban estudiando un fármaco destinado a tratar la angina cuando los participantes informaron de un efecto secundario inesperado. El compuesto se desarrolló más tarde como Viagra y ahora se receta ampliamente para la disfunción eréctil.
10. Inyecciones para bajar de peso (2021)
Los científicos que desarrollan tratamientos para la diabetes tipo 2 han descubierto que los medicamentos que imitan la hormona GLP-1 también provocan una pérdida de peso significativa. Medicamentos como Ozempic y Mounjaro, desarrollados originalmente para la diabetes, se desarrollaron posteriormente para tratar la obesidad, lo que marcó un cambio importante en los enfoques de control del peso.
